Evaluation of Space-based Wetland InSAR Observations with ALOS-2 ScanSAR Mode

습지대 변화 관측을 위한 ALOS-2 광대역 모드 적용 연구

Abstract

It is well known that satellite synthetic aperture radar interferometry (InSAR) has been widely used for the observation of surface displacement owing to earthquakes, volcanoes, and subsidence very precisely. In wetlands where vegetation exists on the surface of the water, it is possible to create a water level change map with high spatial resolution over a wide area using the InSAR technique. Currently, a number of imaging radar satellites are in operation, and most of them support a ScanSAR mode observation to gather information over a large area at once. The Cienaga Grande de Santa Marta (CGSM) wetland, located in northern Colombia, is a vast wetland developed along the Caribbean coast. The CGSM wetlands face serious environmental threats from human activities such as reclamation for agricultural uses and residential purposes as well as natural causes such as sea level rise owing to climate change. Various restoration and protection plans have been conducted to conserve these invaluable environments in recognition of the ecological importance of the CGSM wetlands. Monitoring of water level changes in wetland is very important resources to understand the hydrologic characteristics and the in-situ water level gauge stations are usually utilized to measure the water level. Although it can provide very good temporal resolution of water level information, it is limited to fully understand flow pattern owing to its very coarse spatial resolution. In this study, we evaluate the L-band ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR mode to observe the water level change over the wide wetland area using the radar interferometric technique. In order to assess the quality of the interferometric product in the aspect of spatial resolution and coherence, we also utilized ALOS-2 PALSAR-2 stripmap high-resolution mode observations.

인공위성 영상레이더 위상간섭기법은 널리 활용되고 있는 원격탐사 기술로서 지진, 화산, 지반침하 등으로부터 발생한 단단한 지각 표면의 변위를 매우 정밀하게 주기적으로 관측할 수 있는 연구 활용분야의 한 종류이다. 습지대 환경처럼 수상 표면에 식생이 존재하는 경우에는 지표면과 동일한 방법을 적용하여 넓은 지역에 대한 높은 공간해상도의 수위 변화 지도 제작이 가능하다. 현재 다양한 파장 대역의 인공위성 영상레이더 시스템이 운용 중에 있으며 여기에는 넓은 지역에 대한 영상을 효과적으로 획득할 수 있는 광역 관측 ScanSAR 모드를 제공하는 위성도 다수 포함되어 있다. 본 논문의 연구 지역인 콜롬비아 북부의 Ciénaga Grande de Santa Marta (CGSM) 습지대는 카리브 해안을 따라 고지대에 위치한 광대한 습지 지역이다. CGSM 습지대는 해수면 상승과 기후 변화와 같은 자연적인 원인 뿐만 아니라 20세기 후반부터 시작된 농업개발 및 도시확장 등의 다양한 인간 활동으로 인한 심각한 환경적 위협을 받고 있다. 최근 해당 습지 지역에 대한 생태학적 중요성이 대두되면서 해당 습지를 보호하고 복원하기 위한 다양한 계획이 진행 중에 있다. 주기적인 습지대 환경 모니터링에 있어 수위 변화 관측은 매우 중요한 자료를 제공하며 일반적으로 수위계와 같은 현장관측 자료 등에 의존하는 경우가 많다. 수위계의 경우 시간적으로 연속적인 자료 관측이 가능하지만 공간적 분포를 이해하기에는 어려운 경우가 많다. 본 연구에서는 현장 관측의 공간적 해상도의 부족함을 보완하기 위한 L-밴드 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 광역 관측 모드 자료의 영상레이더 위상간섭기법 습지대 수위 변화 관측 활용 가능성에 대해 평가하고자 한다. 광역 관측 모드의 공간해상도 및 위상간섭도 품질 비교를 위해 ALOS-2 PALSAR-2 stripmap 고해상 모드와 함께 분석하였다.

1. 서론

습지대는 낮은 수위를 갖는 수체에 의해 영구적으로 포화되어있거나계절에따라일시적으로포화되어있는 낮은 육지 영역으로서 경사가 매우 완만한 저지대 지형 환경을 이룬다(Clarkson et al., 2013; Hong and Wdowinski, 2017; Keddy, 2010). 담수나 염수 환경인 습지에는 다양한 종류의 수생 식물과 수초가 서식할 수 있다는 점에서 일반적인 육상 지표 환경과 크게 구별된다. 습지대는 다양한 종류의 야생 동식물을 위한 귀중한 서식 환경을 제공한다는 점에서 지구상에서 매우 생산적인 공간으로 평가받고 있다. 또한 인간에게 있어서는 중요한 담수 자원, 풍족한 식량 자원을 공급해주는 중요한 자연 생태계의 일부임과 동시에 육상으로부터 배출되는 각종 오염원을 효과적으로 정화해 주는 완충 역할을 해주기도 한다. 뿐만 아니라 지구온난화로 인한 해수면 상승, 이상기후 현상에 의한 잦은 태풍의 바람과 높은 파도로부터 해안선을 일차적으로 방어하는 보호 기능을 제공하기도 하며, 탄소배출 저감을 위한 격리 공간 후보지로 꼽히고 있기도 하다. 이 외에도 습지대는 관광이나 야외활동 등 인간 활동에 있어서의 심미적인 역할을 제공하는 곳이기도 하다. 이와 같이 습지대는 다방면에서 매우 소중한 자원을 제공하고 환경적으로 중요한 곳임에도 불구하고, 해수면 상승, 과도한 오염 물질 배출, 간척을 통한 농지와 도시 개발, 수로 개발 등 자연적 또는 인위적 원인에 의해 습지대 환경이 과거에 비해 빠른 속도로 훼손되고 있다. 다행히 최근에는 습지대 환경 보전에 대한 관심도가 크게 증가하여 다방면에서의 복구 및 보전 활동과 피해 저감 관리 계획이 진행 중이다. 습지대 관리에 있어서 수위 변화 자료는 매우 유용한 수리학적 모델링의 필수 입력 요소이다. 주기적인 수위 자료 획득을 위해 현장에 수위계 설치를 하거나 인공위성, 항공기 등의 원격 탐사에 기반한 수위 변화 관측 연구 노력이 꾸준히 지속되고 있다(Hong et al., 2010a; Hong et al., 2010b; Tiner et al., 2015; Wdowinski et al., 2013).

습지는 유수의 양, 흐름, 분포 등 수리환경학적 영향에 매우 민감하게 반응하기 때문에 효과적인 관리를 위해서 주기적인 수위 변화 관측이 요구된다. 일반적으로 관리가 잘 되고 있는 습지대의 경우 다수의 수위계 설치를 통해 넓은 지역에 대한 수위 변화 관측을 수행하고 있다. 하지만 해당 국가의 경제적인 여건 또는 설치의 접근성, 주기적 관리 문제 등으로 인해 수위계 설치가 되어있지 않은 습지대가 많고, 설령 설치가 되어있다 하더라도 지속적인 유지보수와 관측이 어려운 경우도 많다. 수위계를 이용한 관측은 시간적으로 매우 연속적인 정보를 획득할 수 있는 반면 점 단위의 측정으로 인해 공간적으로 상당히 제한적인 정보를 보여준다. 따라서 습지대에 분포하는 수체의 흐름이나 총량 변화 등에 대한 정보를 수위계 관측 정보만을 이용하여 분석하는 데에는 다소 어려움이 있다. 이에 시간적으로 수위계에 비해 관측 빈도수가 낮지만 습지대 전체 수위에 대한 공간분포를 효과적으로 파악할 수 있는 원격탐사 방법이 제시되었다. 원격탐사 방법을 이용하는 경우 상대적인 수위 변화 계산에 대한 검보정 과정이 필수적으로 요구되므로 인공위성 등 원격탐사 방법에 의한 수리학적 모델링과 수위계로부터의 실측값을 상호 보완하는 다양한 방법이 제시되고 있다(Hong and Wdowinski, 2013b; Hong et al., 2021; Hong et al., 2010b; Wdowinski et al., 2004).

영상레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)는 전자기파 스펙트럼 중 마이크로파 파장 대역을 센서에서 직접 송수신하여 대상체에 대한 정보를 영상화하는 능동형 원격탐사관측 방법의 한 종류이다. 영상레이더 관측시 태양 에너지원이 필요한 광학 영상에 비해 주야 및 날씨 조건에 비교적 제약이 덜하므로 자연재해, 국토관리, 국방 등의 다양한 감시 관측의 목적으로 널리 활용되고 있다(Hanssen, 2001). 영상레이더 위상간섭기법(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)은 두 영상레이더 자료의 위상(phase) 차이를 계산하여 지표면의 정밀 지형 고도 모형 제작이나 정밀 변위를 효과적으로 탐지할 수 있는 기술이다. 특히 지진, 화산, 지반침하, 산사태, 빙하 등 역동적인 지구의 표면 변화를 수 mm에서 수 cm의 정밀도로 지표 변위를 탐지할 수 있는 것이 주요 특징이다. 일반적인 잔잔한 담수 표면인 경우 영상레이더에서 송신하는 마이크로파는 수면에서 정반사 또는 specular scattering 효과 때문에 센서로 수신되는 신호가 매우 적다. 하지만 수표면에 식물이 존재하는 습지대의 경우 송신된 신호가 수면에 반사된 후 식물의 줄기 또는 잎에서 다시 반사되어 센서로 되돌아오는 이중 산란 또는 double bounce scattering의 효과를 보이게 되어 센서와 대상체 사이의 위상 정보를 갖게 된다(Fig. 1). 영상 레이더 위상간섭기법을 적용하는 경우 습지 식생에서의 이중 산란 현상 덕분에 서로 다른 시기에 관측한 두 신호의 위상 차이에 따라 수위 변화를 추출할 수 있게 되며, 넓은 지역에 대한 수위 변화를 높은 공간해상도로 비교적 정밀하게 추출할 수 있다(Hong and Wdowinski, 2017; Wdowinski et al., 2004). 그러나 영상레이더 자료 획득 시 위성 사이의 공간기선거리 또는 획득 시간의 차이가 너무 큰 경우, 또는 자료 획득 시간 사이에 발생한 지표면의 변화 정도가 매우 큰 경우 심각한 decorrelation 현상이 발생하여 위상간섭도의 질적 판단 기준인 긴밀도(coherence)가 현저히 낮아지게 된다. 따라서 습지대를 관측한 두 위성영상 관측 시간 차이에서 발생하는 실제 수표면의 피복 변화량이 매우 큰 경우 영상레이더 위상간섭기법의 적용에 있어 주의가 요구된다. 일반적으로 L-밴드와 같은 장파장 영역의 영상레이더 자료가 보다 짧은 파장 대역은 C- 또는 X-밴드 자료에 비해 긴밀도 유지에 유리한 것으로 알려져 있다(Hong and Wdowinski, 2013a).

Fig. 1. Landsat-8 Operational Land Imager optical color composite image showing the swaths of ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR and Stripmap mode used in this study. The mangrove forest has been developed in the CGSM wetlands (yellow box). Note that the swath of the ScanSAR mode is much larger than that of the Stripmap mode. The location map is also presented at the right bottom of the figure (image courtesy of United States Geological Survey).

영상레이더를 포함한 인공위성 원격탐사 관측은 센서의 범위에 따라 관측하고자 하는 대상 지역이 완전히 포함되지 않는 경우가 자주 발생한다. 고체 성질을 갖는 육상 지표면 변위의 경우에는 인공위성의 여러 비행 경로에서 획득된 영상레이더 자료의 모자이크 과정을 통해 비교적 연속적인 값으로 모자이크 처리할 수 있다. 하지만 습지 수위 변화의 경우, 관측 시간이 경과함에 따라 변화 정도가 지표면에 비해 상대적으로 매우 심하기 때문에 여러 장의 영상을 이어 붙이는 경우에 불연속적인 수위변화 지도가 생산된다. ScanSAR 관측 모드는 최근 영상레이더 시스템에서 널리 이용되는 운영 방식 중 하나로서(Ning et al., 2020), 경사거리 방향에 대해 각각 다른 sub-swath로 마이크로파 신호를 반복적으로 송수신하여 관측하는 영상화 종류 중 하나이다.

ScanSAR 모드는 아주 넓은 지역(swath > 200 km)에 대한 정보를 한 번에 획득할 수 있다는 장점이 있지만, 관측 모드 특성상 비행 방향(azimuth direction) 공간해상도의 심각한 저하가 발생한다(Guarnieri and Prati, 1996; Tomiyasu, 1981). ScanSAR 모드 자료를 처리하기 위해서는 burst-by-burst 방법과 full-aperture 방법 두 가지가 이용된다. 일본 JAXA에서 운용 중인 ALOS-2 ScanSAR의 경우, burst-by-burst 자료 처리 방법 중 하나인 SPECtral Analysis (SPECAN) 알고리즘을 이용하여 제품을 제작 후 배포하고 있다(Cumming and Wong, 2005). SPECAN 알고리즘은 각 burst에 대해 경사거리 방향과 비행 방향으로의 신호 압축을 수행한 후 하나의 영상 파일에 결과 파일을 순차적으로 저장하는 방식이다. 두 번째 방법인 full-aperture 방법은 각 burst 사이의 빈 공간을 모두 0으로 채우고 경사거리 방향과 비행 방향으로의 신호 압축을 수행하는 방식으로 이 방법에 의한 영상화를 거친 제품만 위상간섭기법을 적용할 수 있다(Liang et al., 2018). Full-aperture 알고리즘으로 생성된 ScanSAR 모드 영상에는 영상의 품질을 해치는 간섭현상이 있는 것으로 알려져 있는 스파이크라고 불리우는 비행 방향의 임펄스 응답 함수(impulse response function) 잡음이 포함되어 있다(Bamler and Eineder, 1996; Cumming et al., 1997). 때때로 위상간섭기법 적용 후에도 스파이크 현상이 남아 있기도 하여 결과 해석을 방해하는 요인이 된다(Liang and Fielding, 2017; Ning et al., 2020).

본 논문의 주요 연구 목적은 습지대에서의 수위 변화 관측을 위한 L-밴드 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 광역 관측 모드의 위상간섭기법 적용 가능성을 평가하는데 있다. 2장에서는 연구 지역의 소개와 연구 자료의 특성을, 3장에서는 연구 방법을 설명하고자 한다. 4장에서는 ScanSAR 모드와 고해상도 Stripmap 모드를 이용한 수위변화 관측 비교 결과와 ScanSAR 모드 자료를 습지대 수위 변화 연구에 효율적으로 적용하기 위한 위상간섭기법의 변수 결정 등에 대해 기술하고자 한다. 마지막으로 5장에서는 ScanSAR 모드 자료를 이용하는 경우에 있어서 습지대 위상간섭기법 적용의 장단점 및 효율성 등에 대해 요약하고 토의하고자 한다.

2. 연구 지역 및 자료

1) 연구 지역

세계에서 가장 높은 곳에 위치한 해안 산악 지형으로 알려진 Ciénaga Grande de Santa Marta (CGSM)는 콜롬비아 카리브 해안을 따라 위치한 광대한 습지대이다(Botero and Salzwedel, 1999). Madgalena 강의 동쪽에 위치한 삼각주 시스템에 속하는 CGSM의 면적은 약 4,280 km²이다. 복잡하고 많은 수의 수로망으로 얽혀 있는CGSM의 주요 생태계 환경은 주로 맹그로브 산림, 범람원, 해안 석호로 구성되어 있다. 해당 지역은 5월~6월, 9월~11월 사이 2번의 우기가 존재하며 이 시기를 제외한 나머지 기간은 모두 건기이다. CGSM 습지대는 기후 온난화로 인한 해수면 상승 등과 같은 자연적인 원인뿐만 아니라 지역사회 구성원의 생활편의를 위한 도로 건설, 농지 개간, 도시 확장 등과 같은 다양한 인간활동으로 인해 매우 심각한 환경적 위협을 지속적으로 겪고 있다. 1950년대의 Barranquilla와 Ciénaga 두 도시를 잇는 도로 건설과 1970년대에 건설된 Palermo와 Sitio Nuevo를 연결하는 도로로 인하여 해당 지역의 삼각주와 바다를 분리하여 물리적인 물교환이 억제되었으며 생태계가 지속적으로 악화되었다(Cardona-Uribe and Manca, 2012; Jaramillo et al., 2018b). 해당 지역은 인공 구조물의 건설로 인해 강의 유출구가 막히거나, 삼림 벌채로 인해 심각한 침식 현상이 발생하여 강의 수문학적 흐름이 인위적인 방법으로 제한되었으며, 이로 인해 토양의 극심한 염분화와 퇴적물이 과도하게 축적되는 결과가 초래되었다. 이와 더불어 중금속에 의한 오염도 증가와 염도 증가와 맞물려 1966년부터 1991년 사이에 해당 지역에 서식하던 절반 이상에 달하는 맹그로브 숲이 황폐화된 것으로 알려져 있다(Röderstein et al., 2014). 1978년부터는 석호 환경의 빠른 황폐화로 인한 CGSM의 생태 환경 문제를 적극적으로 해결하기 위한 구체적인 계획들이 발표되었다. 이후 CGSM은 세계 자연지역으로서의 보전 가치를 인정받기 시작하여 람사 사이트와 유네스코 보호 구역으로 지정되기도 하였다. CGSM 습지대는 수위계 관측이 거의 이루어지고 있지 않는 자연 상태의 습지 환경 지역으로 해당 습지대의 수문학적 흐름을 이해하기 위해 인공위성 원격탐사 기반 자료를 이용한 수위 변화 관측 연구들이 수행된 바 있다(Jaramillo et al., 2018a; Simard et al., 2008).

Fig. 2. A schematic diagram represents how the wetland InSAR technique works at the wetland environment where vegetation exists. While a specular reflectance (blue line) occurs at the calm water surface, a double bounce scattering (red line) between water surface and trunk of the mangrove can be detected in the vegetated wetland.

2) 연구 자료

본 연구에서는 습지대에서의 위상간섭기법 적용에 상대적으로 유용하다고 알려져 있는 장파장 마이크로파 대역인 L-밴드 ALOS-2 위성 PALSAR-2 센서를 활용하고자 한다. 해당 위성은 일본항공우주국(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)에서 운용하고 있으며 본 연구에서는 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 모드 자료와 Stripmap 모드 자료를 함께 사용하였다. 일본항공우주국은 전지구 표면에 대한 정보를 획득하고자 기본관측계획(basic observation scenario)을 수립하여 영상을 체계적으로 수집하고 있다(JAXA, 2022). 현재까지 수집된 영상 관측 모드 종류의 분포를 살펴보면, 2015년 부터 관측된 ScanSAR 모드 영상의 수량이 Stripmap 모드의 영상 수보다 훨씬 많이 존재한다(Suzuki et al., 2013). 그러므로 ALOS-2 PALSAR-2 센서를 이용하는 경우 Stripmap 모드 영상만을 이용하는 데에는 한계가 있으며 ScanSAR 모드 자료를 함께 이용하는 것이 보다 효과적이라 할 수 있다. 연구지역인 CGSM 습지대의 경우에도, ScanSAR 모드의 영상의 수량이 다른 모드 영상에 비해 상대적으로 많이 획득되어 있으므로 주기적인 수위 변화 관측 연구를 위해서는 ScanSAR 모드 영상의 활용이 반드시 필요하다.

일반적으로 X-밴드 혹은 C-밴드 마이크로파 대역과 같이 상대적으로 짧은 파장의 자료를 이용하여 위상간섭기법을 적용하는 경우, 두 자료의 관측 시간 차이가 길수록 대상체로부터 산란된 위상 중심에 대한 긴밀도 유지가 어렵다. L-밴드 마이크로파와 같은 장파장 영상레이더는 관측 시기가 다소 길어도 긴밀도 유지에 유리하여 지표 변위 관측에 널리 활용되어 상대적으로 높은 지구과학적 활용도를 제공한다. L-밴드보다 장파장인 P-밴드의 경우는 대기 전리층에 의한 패러더이 회전 효과에 의한 영상 왜곡 오차가 발생할 수 있다. 따라서 L-밴드 파장 대역은 현존하는 위성시스템에서 가장 긴 마이크로파 위성영상레이더 관측대역에 속한다 할 수 있다. ALOS-2 PALSAR-2는 이전 영상레이더 임무 위성인 JERS-1이나 ALOS PALSAR보다 짧은 14일의 재방문 주기(revisit cycle)와 안정적인 수직기선거리(perpendicular baseline)로 비행하여 영상을 획득하므로 위상간섭도의 품질이 이전 위성 임무보다 크게 향상되었다고 알려져 있다(Kankaku et al., 2013). ALOS-2 PALSAR-2는 주로 Stripmap과 ScanSAR 모드로 관측하여 자료를 제공하며, Stripmap 모드는 약 3 m의 높은 공간해상도로 자료를 획득하고, 약 50 km의 영상 폭의 지표면 정보를 제공한다. ScanSAR 모드는 모두 5개의 sub-swath 영역에 대해 레이더 신호를 순차적으로 송수신하여 자료를 획득하며, 약 100 m의 공간해상도를 갖는 350 km의 광역 관측 자료를 제공한다. 본 연구에서는 2015년 3월 15일과 29일에 획득한 Stripmap 모드 영상 2매, 2014년 9월 14일, 10월 26일, 2015년 6월 30일, 7월 5일, 7월 28일, 8월 2일에 획득한 ScanSAR 모드 영상 6매를 이용하였다. 이 중 ScanSAR 모드 영상은 각각 다른 비행경로에서 획득된 자료 각 4매와 2매를 활용하였다(Table 1). 해당 자료는 일본항공우주국 연구제안승인에 의해 제공된 자료이며 제품레벨 1.1에 해당하는 single look complex (SLC) 자료이다. 또한 본 연구에 사용된 모든 ScanSAR 자료는 영상 레이더 위상간섭기법 적용이 가능한 full-aperture 알고리즘이 적용된 제품이다. 39번 비행경로의 ScanSAR 모드 자료에서 2014년과 2015년 자료들은 동일한 subswath에서의 서로 다른 입사각으로 관측된 것이 특징적이다.

Table 1. The characteristics of the ALOS-2 PALSAR-2 acquisitions used in this study

3. 연구 방법

CGSM 습지대에 대한 ALOS-2 PALSAR-2의 수위 관측 적용 가능성 평가를 하기 전에 우선 비행방향으로의 주파수 스펙트럼 분석을 실시하였다. 비행 방향으로의 주파수 스펙트럼은 위상간섭기법 적용 기준에 있어 중요한 변수로 알려져 있다. 이전 연구에 따르면 2015년 2월 전에 획득된 ALOS-2 ScanSAR 모드 영상의 상당수가 비행방향으로의 burst 정렬이 제대로 이루어지지 않아 스펙트럼 사이에 중첩율이 매우 낮은 것으로 보고된 바 있다(Lindsey et al., 2015). 서로 다른 시기에 획득된 두 영상 사이의 스펙트럼 중첩율이 매우 낮은 경우 위상간섭기법의 적용이 거의 불가능하다. 일본항공우주국에서 실시한 비행방향으로의 burst 정렬 및 추정 개선 알고리즘을 통해 2015년 2월 이후 획득된 영상에 대하여 적용하였고 위상간섭도 제작이 비로소 가능하게 되었다. 본 연구에서는 CGSM 지역을 관측한 ALOS-2 ScanSAR 모드 영상을 수집하였고 일부 자료에 대해 위상간섭기법 적용 여부를 판단하고자 비행방향의 스펙트럼을 계산, 분석하였다. 또한 획득된 자료에 위상간섭기법을 적용하기 전 SLC 자료 품질을 평가하기 위해 영상레이더 원시자료의 처리과정 중 하나인 focusing 단계의 영상 품질에 대한 분석을 실시하였다. 해당 분석을 통해 경사거리와 비행방향에서의 sub-look 영상에 대한 각 관측자료에 대한 offset 값을 계산할 수 있었으며 이는 최적의 focusing 처리를 위한 속도 보정값을 제공할 수 있다.

CGSM 습지대의 수위 변화 탐지 가능성을 분석하기 위해 위상간섭기법을 적용하였으며 Gamma 상용 소프트웨어를 사용하였다. 획득된 Stripmap 모드의 경우 연구지역을 모두 포함하지 않아 수집된 영상 전체를 그대로 사용하였다. 하지만, ScanSAR 모드의 경우 연구지역보다 훨씬 넓은 영역을 포함하므로 해당하는 swath에 대한 amplitude 영상을 통해 확인 후 Stripmap 모드 영역과 비슷한 면적을 갖도록 샘플링하여 자료처리를 수행하였다(Fig. 3). Stripmap 모드는 경사거리와 비행방향으로 4×12 (1:3 비율) 화소만큼의 멀티룩(multi-look) 계수를 적용하였으며 ScanSAR 모드의 경우는 4×24 (1:6 비율) 멀티룩 계수를 적용하였다. 고체 지표면에서의 위상간섭기법 적용 사례와 마찬가지로 지구 곡률에 의한 위상효과를 보정한 간섭도를 제작하였으며 지표면의 지형 효과를 제거하기 위해 1초 간격의 공간해상도를 가지는 Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 표고 모형을 이용하여 지형에 대한 위상을 계산하여 보정하였다(Jordan et al., 1996; Zebker et al., 1994). 이 후 스펙클과 위상의 잡음을 제거하기 위하여 위상 필터링을 적용하였다(Goldstein and Werner, 1998). Stripmap 모드의 경우 비행방향으로의 스펙트럼 중첩율이 크기 때문에 높은 긴밀도를 유지할 수 있어 잡음 제거를 위한 위상 필터링의 계수 결정이 비교적 수월하다. 그러나 ScanSAR 모드 자료와 같이 낮은 공간해상도를 갖는 자료의 경우, 잡음 위상을 과도하게 제거하는 경우, 우리가 얻고자 하는 신호도 과보정되어 정보를 추출할 수 없을 수도 있으므로 계수 결정에 있어 주의가 요구된다. 본 연구에서는 ScanSAR 모드로 제작된 위상간섭도의 잡음제거 필터링을 위해 여러가지 경우의 위상 필터링 계수를 적용하였다. 최적의 위상 잡음 계수 결정은 ScanSAR 모드와 같이 낮은 공간해상도에서의 수위 변화 관측 가능성 평가에 있어 중요한 요소이다. 최종적으로 잡음제거가 완료된 위상간섭도는 지오코딩 과정을 거쳐 정사보정된 수위변화 정보 지도로 변환될 수 있다.

Fig. 3. The amplitude images of the study area were acquired at (a) Sep 14, 2014 (ScanSAR, path 39), (b) Jun 30, 2015 (ScanSAR, path 38), (c) Jul 5, 2015 (ScanSAR, path 39), and (d) Mar 15, 2015 (Stripmap, path 39). While the ScanSAR mode observations fully cover the CGSM wetland, the Stripmap mode can partially capture the study area. The Stripmap mode can provide more detailed features on the surface owing to its higher spatial resolution.

4. 연구 결과

긴밀도는 위상간섭도를 평가하는 정량적인 기준으로 좋은 긴밀도를 갖는 위상간섭도 제작을 위해서는 자료 관측 당시의 공간기선거리, 시간기선거리, 체적산란 효과 등에 대한 고려가 필요하다. 이 외에도 도플러 중심 주파수의 중첩율이나 비행방향의 스펙트럼의 중첩율이 클수록 좋은 긴밀도를 갖는 위상간섭도를 제작할 수 있다. Fig. 4는 수집된 영상 사이의 비행방향 스펙트럼의 중첩도를 계산하여 나타낸 것이다. 39번 비행경로를 ScanSAR 모드 자료의 경우 2014년과 2015년에 획득된 자료들의 스펙트럼은 서로 다른 패턴을 분명하게 보여주고 있다. ScanSAR 모드의 운용에 있어 문제가 있었던 2014년 자료의 경우, 두 비행방향 스펙트럼의 중첩율은 매우 낮게 나타나고 있으며 실제로 위상간섭기법을 적용해 본 결과 긴밀도가 유지되지 못하고 모든 영역에서 잡음으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다(Fig. 4(a)). 2015년 자료의 경우는 중첩 문제에 대한 시스템 개선 후 획득된 자료로서 비행방향 스펙트럼이 모든 주파수 대역에서 잘 중첩되고 있으며 스펙트럼의 진폭의 차가 크지 않음을 확인할 수 있었다(Fig. 4(c)). 38번 비행경로를 갖는 ScanSAR 모드의 자료는 두 영상 모두 2015년에 획득된 것으로서 스펙트럼의 크기에 있어 작은 진폭의 차이를 확인할 수는 있었으나 스펙트럼의 중첩율은 상당히 좋은 것을 알 수 있었다(Fig. 4(b)). Stripmap 모드로 획득된 자료의 경우 두 자료의 비행방향 스펙트럼은 중첩율이 매우 높으며 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다(Fig. 4(d)). 해당 모드의 경우 2014년에 획득한 자료는 수집이 불가능하여 2014년도 자료에 대한 비행방향 스펙트럼은 분석할 수 없었다. 2014년과 2015년에 획득된 ScanSAR 모드 자료들사이의 비행방향 스펙트럼의 위치를 주파수 대역에서 비교해보면 각각 다른 대역에서 비행방향 스펙트럼 진폭의 최고값이 나타나고 있으며, 해당 자료 사이에 긴밀도가 심각하게 저하되었음을 추정할 수 있다. 따라서 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 모드 자료의 위상간섭기법 적용을 위해서는 2015년 상반기 이후의 자료 선택이 필수적으로 요구된다. 방위방향의 스펙트럼의 중첩율과는 관계없이 획득된 amplitude 영상들은 해당 지역의 후방산란계수의 특징을 잘 반영하여 주는 것을 확인할 수 있다(Fig. 3).

Fig. 4. The power spectra of reference and secondary SLC images in azimuth direction of collected the (a, b, c) ScanSAR and (d) Stripmap mode acquisitions over the study area. The very partial spectral overlap has been detected in the power spectra in (a) the 2014 ScanSAR acquisition. However, both power spectra in (b, d) the ScanSAR acquisitions acquired in 2015 and (d) the Stripmap observation have overlapped well.

수집된 Stripmap과 ScanSAR 모드 SLC 자료의 품질을 평가하기 위하여 cross correlation 계산을 통한 alongtrack velocity의 오차를 계산하였다. 측정 방법은 동일한 SLC 자료에서 획득된 비행방향 스펙트럼에서 서로 다른 방향 또는 look을 고려하여 추출된 두 자료의 도플러 스펙트럼 사이의 상관관계를 조사하여 분석한다. 일반적으로 경사거리 방향에서의 offset은 처리 과정 중 range migration의 영향으로 발생되며, doppler ambiguity error에 의해 도플러 중심 주파수가 부정확하게 추정되는 경우 발생한다. 비행방향으로의 offset은 azimuth chirp rate와 관련이 있다. Table 2에서 나타난 바와 같이 ALOS-2 PALSA-2 SLC 자료는 비행방향의 스펙트럼 비교 결과에서 0이 아닌 상당히 큰 offset이 추정된 것을 알 수 있다. 하지만 경사거리 방향으로는 대부분 상당히 낮은 offset 값을 보이고 있는 것을 확인할 수 있다. Stripmap 모드의 경우 비교적 일정한 수준의 offset을 제공하고 있는데 반해, ScanSAR 모드의 경우는 심각한 경우 한 개의 화소를 넘어가는 offset이 발견되기도 하며 offset의 정도 차이는 자료의 획득 시기와는 무관하게 불규직적으로 나타나고 있다. 특히 2015년 7월 28일 관측된 자료의 경우, range 방향으로의 상당히 큰 offset이 발견되는 것이 특징적이라 할 수 있다. 하지만 ALOS-2 PALSAR-2 제품의 경우는 ALOS-1 PALSAR-1과는 달리 원시자료인 1.0 레벨의 자료를 제공하고 있지 않으므로 재처리할 수 있는 방법이 없으므로 자료를 처리하는 과정에서 일정 부분 offset이 존재하여 focusing 품질이 저하된 경우가 있음을 인지하고 분석할 필요가 있다.

Table 2. The result of focus testing of ALOS-2 PALSAR-2 SLC data used in this study

Fig. 5는 4쌍의 ALOS-2 PALSAR-2 영상레이더 위상 간섭도를 도시한 것이다. 비행방향으로의 중첩율이 매우 낮은 2014년 관측 ScanSAR 모드 자료는 긴밀도가 매우 낮아 위상간섭도에서 잡음 성분만 나타나는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(a)). ScanSAR 모드의 경우도 Stripmap 모드에 비해서는 상대적으로 잡음이 많은 위상간섭도가 제작되었지만 비교적 높은 긴밀도의 위상간섭도가 제작되었음을 알 수 있다(Fig. 5(b, c)). Stripmap 모드 위상 간섭도의 경우 관측 방식의 특성상 상당히 좋은 공간해상도를 갖는 위상차이 정보를 획득할 수 있음을 확인하였다(Fig. 5(d)). 해당 위상간섭도는 대류권에 의한 위상 지연 오차를 저감하기 위한 대기보정이 수행되었으며, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)에서 한시간 단위로 제공하는 ERA-5 기후 모델 자료가 이용되었다(Jolivet et al., 2011). Stripmap 모드 자료의 경우 ScanSAR 모드 위상간섭도에 비해 잔여 위상값이 상대적으로 적은 것으로 판단되며, ScanSAR 모드 자료의 경우 대기보정을 수행하였음에도 불구하고 궤도 오차 등으로 인한 잔여 위상이 남는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 국지적인 수위 변화를 관측하는 데에는 ScanSAR 모드의 위상간섭도의 활용은 문제가 없는 것으로 판단되지만 보다 넓은 지역에서의 수문학적 흐름 패턴이나 특징을 살펴보는 경우에는 잔여 위상제거에 조금 더 주의가 요구된다고 판단된다.

Fig. 5. The raw interferograms of collected (a, b, c) ScanSAR and (d) Stripmap mode acquisitions over the study area. (a) No coherence exists in non-overlapped azimuthal power spectra from the 2014 ScanSAR mode acquisition. (b, c) Both ScanSAR interferograms show quite an excellent coherent phase, although some speckle noises and long wavelength of residual fringes remain. (d) The Stripmap mode acquisition shows the best interferometric quality among them.

ScanSAR 모드 위상간섭도는 Stripmap 모드에 비해 위상 잡음의 영향을 다소 많이 받아 잡음 제거필터링의 적용이 필수적이다. 본 연구에서 적용된 위상 저감 필터는 위상간섭도의 파워 스펙트럼에 기반한 필터로서 윈도우 사이즈와 필터 계수를 조정하여 적용할 수 있다(Goldstein and Werner, 1998). ScanSAR 모드 위상간섭도의 경우 공간해상도가 낮아 동일 면적에 대한 화소의 수가 Stripmap 모드 영상에 비해 상당히 적으므로 필터 계수와 윈도우 사이즈에 따라 필터링의 효과가 크게 달라질 수 있다. 본 연구에서는 필터 계수와 윈도우 크기를 조절함으로써 수위변화 정보를 유실하지 않으면서 효과적으로 잡음을 제거할 수 있는 ScanSAR 모드 영상처리의 최적화된 입력값을 설정하고자 하였다. Fig. 6은 필터 계수 0.2, 0.4, 0.6, 0.8와 윈도우 크기 16, 32, 64, 128, 256 화소 크기를 이용하여 필터링을 수행한 결과이다. 필터 계수와 윈도우 사이즈를 크게 적용하는 경우 자세한 공간정보를 알아보기 힘들 정도의 과보정되는 경우가 발생할 수 있으며 연구 지역의 경우 윈도우 사이즈가 필터계수 보다 과보정에 기여하는 정도가 큰 것으로 판단된다. 이에 반해 필터 계수의 영향은 상대적으로 크지 않은 것으로 판단된다. 필터계수가 0.6 이상인 경우 윈도우 사이즈가 커짐에 따라 습지대 수위 변화에 대한 정보를 잃어버릴 가능성이 크게 증가함을 확인하였으며, 0.4–0.6의 필터 계수와 64 또는 128 사이의 윈도우 사이즈가 해당 지역에서 적절한 필터링 효과를 보여주는 것으로 판단된다. 잡음 제거 필터링 계수를 분석 후 획득된 위상간섭도는 초기 위상간섭도에 비해 효과적으로 잡음이 제거된 위상 변화를 보여주고 있으며 향후 시계열 분석시 해당 계수를 사용하여 적용 분석할 예정이다(Fig. 7).

Fig. 6. The filtered interferograms applied various filtering parameters of exponent for non-linear filtering and filtering window size. (a-e) 0.2 of exponent for non-linear filtering and filtering window size of 16, 32, 64, 128, and 256. (f-j) 0.4 of exponent for non-linear filtering and filtering window size of 16, 32, 64, 128, and 256. (k-o) 0.6 of exponent for non-linear filtering and filtering window size of 16, 32, 64, 128, and 256. (p-t) 0.8 of exponent for non-linear filtering and filtering window size of 16, 32, 64, 128, and 256. Note that a larger window size generates much smooth phases.

Fig. 7. The filtered interferograms of collected the (a, b, c) ScanSAR and (d) Stripmap mode acquisitions over the study area. (a) No coherence exists in non-overlapped azimuthal power spectra from the 2014 ScanSAR mode acquisition. (b, c) Both the speckle noises are significantly reduced by adaptive phase filtering with selected parameters. (d) The Stripmap mode acquisition shows the best interferometric quality among them.

Fig. 8은 연구지역 습지 영역에 대한 위상간섭도를 확대한 것으로서 흰색 원으로 표시한 지역에서 수위 변화로 인한 위상차이가 두 관측 모드에서 모두 발견됨을 확인할 수 있다. 높은 공간해상도의 역할로 인해 Stripmap 모드의 위상간섭도에서 보다 자세한 수위변화를 감지할 수 있지만 ScanSAR 모드에서도 비교적 뚜렷한 수위 변화 신호를 관측할 수 있다고 판단된다. 더구나 Stripmap 모드 획득 비율이 ScanSAR 모드에 비해 현저하게 적음을 감안할 때 ScanSAR 관측 모드를 이용한 연구 지역의 수위변화 관측이 가능하다는 사실은 매우 고무적인 결과라고 할 수 있다.

Fig. 8. The zoom insets show the interferometric phases related to water level changes over the CGSM wetland. Although (a, b) the ScanSAR mode interferograms also represent very coherent water level information over the wetland area, and (c) the Stripmap mode interferogram provides excellent spatial resolution to be beneficial to discriminating the detailed water level change information.

5. 결론

본 연구에서는 콜롬비아 북부의 CGSM 습지대 지역에 ALOS-2 PALSAR-2 L-밴드 ScanSAR 광역 관측 모드 영상을 이용하여 인공위성 영상레이더 위상간섭기법의 적용 가능성 여부를 분석하였다. ALOS-2 PALSAR-2위성의 경우, Stripmap 모드의 관측 수에 비해 ScanSAR 모드로 자료를 획득하는 경우가 많아 ScanSAR 모드 자료에 대한 충분한 이해와 효과적인 자료처리 방법이 요구된다. 본 연구에서는 자료 분석을 위해 2015년 3월 15일과 29일에 획득한 Stripmap 모드 영상 2매, 2014년 9월 14일, 10월 26일, 2015년 6월 30일, 7월 5일, 7월 28일, 8월 2일에 획득한 ScanSAR 모드 영상 6매를 이용하였다. ScanSAR 모드의 경우 Stripmap 모드에 비해 공간해상도가 현저히 낮아 공간정보에 대한 세밀한 분석이 어려울 수도 있지만 해당 지역에서는 비교적 명확한 수위변화 신호가 관측이 되었으며, 광역의 습지대 지역을 효과적으로 관측할 수 있음을 확인하였다. 비행방향 스펙트럼에 대한 중첩율 분석에서는 기존에 알려진 바와 같이 2015년 이전에 획득된 ScanSAR 모드 자료에서는 거의 스펙트럼이 중첩되지 않아 위상간섭도 제작이 불가능하였다. 따라서 ScanSAR 모드의 위상간섭기법 적용을 위해서는 2015년 상반기 이후의 영상을 활용할 필요가 있다. ALOS-2 PALSAR-2 SLC 자료의 focusing 품질 분석을 통해 비행방향으로 0.1–1.2 화소만큼의 offset이 존재함을 알 수 있었으며, 경사거리 방향으로는 한 개의 자료에서만 1.5 화소의 offset이 존재할 뿐 거의 무시할만한 수준으로 원시자료처리가 잘 수행되었음을 확인하였다. ScanSAR 모드 위상간섭도는 Stripmap 모드에 비해 스펙클 등의 위상 잡음이 보다 많아 잡음 제거필터링의 적용이 필수적이며 과보정 현상을 막기 위해 적절한 계수 선택이 필수적이다. 해당 지역의 경우 0.4~0.6의 필터 계수와 64 또는 128 사이의 윈도우 사이즈가 위상 잡음 제거에 효과적임을 알 수 있었으며 향후 시계열 분석을 위해 해당 계수를 사용하여 적용 분석 예정이다.