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영준 후
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1 SAR 영상자료를이용한해양파라미터추출기법연구 강문경 1* 박용욱 2 이훈열 1 이문진 3 1 강원대학교지구물리학과 2 ( 주 ) 쓰리지코어 3 한국해양연구원해양시스템안전연구소 1* kangmk@chonnam.ac.kr, 2 pyw2785@3gcore.com, 1 hoonyol@kangwon.ac.kr, 3 Moonjin.Lee@moeri.re.kr Study on the extraction of ocean parameters using SAR image data Moon-Kyung Kang 1* Yong-Wook Park 2 Hoonyol Lee 1 Moonjin Lee 3 요약 : 최근인공위성 SAR를이용한기술은해풍, 파랑, 해류등과같은해양에서발생되는다양한현상을관측하고연구하는데필수적인기술로대두되고있다. CMOD4, CMOD-IFR2 모델은해상풍의크기를구할수있으며, wave-sar 변환기법과 inter-look cross-spectra 기법은파랑의크기, 방향과같은물리적값을추출할수있다. 또한 Doppler shift 기법을적용하여해류속도를구할수있다. 본연구에서는위의기법들을종합적으로적용하여 SOP (SAR Ocean Processor) 프로세서를개발하였다. 이프로세서를한반도연안지역에적용하여 RADARSAT-1 영상자료로부터해풍, 파랑, 해류의물리적정보를추출하였으며, 이를현장관련자료와비교하여신뢰할만한결과를얻을수있었다. 핵심용어 : 해풍, 파랑, 해류, CMOD4, COMD_IFR2, wave-sar 변환, inter-look cross-spectra, Doppler shift 1. 서론최근인공위성원격탐사는해양학분야에서경제적이고필수적인도구로부각되고있다. 해양과관련된원격탐사활용분야에서는대기나기상상태에따른제약점이없고, 낮 / 밤에무관하게수시로변화하는해상의상태를고해상도의영상정보로제공하는 SAR 나 scatterometer 시스템의사용이필수적이라할수있다합성구경레이더 (synthetic aperture radar) 는영상레이더 (imaging radar) 의일종으로서, 해양에서중력이주요복원력이 되는중력파 (gravity wave) 나표면장력파 (capillary wave) 등파랑의분포상태를 2차원적인영상으로관측할수있는원격탐사시스템이다. 해상의표면파 (surface waves), 내부파 (internal waves), 해류 (currents), 바람 (wind), 해저지형에따른특성 (bathymetric features), 선박항적 (ship wakes), 기름유출 (oil spills) 등과같은해양학적현상들은후방산란계수 (backscattering coefficient) 나공간적스펙트럼분포 (spectral distribution) 에따라 2차원의 SAR 영상자료로가시화된다

2 본연구는해양의해풍 (wind), 파랑 (wave), 해류 (current) 와같은다양한해양현상에대하여인공위성 SAR 영상으로부터풍속의크기와방향, 해파의파장과진행방향, 유속의크기와방향과같은해양물리학적정보를추출할수있는종합적인프로세서의개발을목표로하였다. 이연구에서는해상풍의정보를추출하기위해 CMOD4 (Stoffelen and Anderson, 1997a; 1997b) 와 CMOD-IFR2 (IFREMER-CERSAT, 1999) 경험모델과편광비 (polarization ratio) 를이용한비례식 (Horstmann et al., 2000) 을적용하여 SAR 영상의후방산란계수로부터풍속을구하였다. 또한 wave-sar 변환방법을통해파랑의스펙트럼을추출하고파장과파의진행방향을산출하였으며, 이때발생되는파랑방향에대한 180 모호성의문제를해결하기위하여 inter-look cross-spectra 기법 (Engen and Johnsen, 1995; Bao and Alpers, 1998; Dowd et al., 2001) 을적용하였다. 해류의속도정보는단위산란체에대하여 SAR 영상이얻어지는시간동안에해상의산란체가움직이면서발생하는 Doppler shift를이용한기법 (Chapron et al., 2005) 으로산출하였다. 이와같이 SAR 영상으로부터산출된해풍, 파랑, 해류의해양학적파라미터를기상자료나해양자료등과같은현장관련자료와비교하여추출된결과를검토하였다. 해류의특성과관련된물리량을종합적으로 추출하기위해이와관련된연구기법들을 적용하였다. 측정대상이해풍인경우 CMOD4 와 CMOD-IFR2 모델은 10~20 m 의영상해상 도내의풍속정보를얻을수있으나방향에 대한정보는현장자료나관련자료를참조하 여해결해야하는한계점이있다. 파랑정보 추출기법중 wave-sar 변환기법은방향 에대한 180 모호성을해결하지못하는반 면 inter-look cross-spectra 기법으로이 를해결할수있다. 해류와같이해상표면 의움직임에대한이동속도를구하기위한 방법으로 Doppler shift 기법이응용되고있 는데이는 LOS (line of sight) 방향에대한 정보만을얻을수있는한계가있다. Dual-beam ATI 의경우는이러한한계점을 해결할수있는방법이나최근개발되고있 는새로운 SAR 시스템을필요로한다. Table 1 Methods on satellite oceanography using SAR 2. 이론적배경 3. SAR Ocean Processor (SOP) Table 1은본연구에적용된해풍, 파랑, 해류별각각의연구기법과추출가능한해양특성의물리량과한계점을정리한표이다. 본연구에서는 SAR 영상에서해풍, 파랑, SOP (SAR Ocean Processor) 는 Fig. 1에도시된바와같이 SLC SAR 영상자료를이용하여해풍, 파랑, 해류정보추출알고리즘을기반으로일련의해역특성정보를추출

3 하도록개발되었다. 이프로그램은 Windows 환경에서 Linux 환경을모사하는 Cygwin 이라는프로그램에서컴파일되고수행되지만, ANSI-C 언어로이루어져있기때문에사용자의편의에따라다양한컴파일러를사용할수있다. 명령어사용환경에서운영되기때문에사용자는먼저프로그램에필요한간단한변수와실행제어변수를입력하여파일로만들고, 이를통해프로그램을제어한다. SLC 자료를사용한다. 프로세서수행결과출력되는파일은해풍정보인 CMOD4, CMOD-IFR2 자료, 파랑정보를갖고있는 SAR 영상으로부터추출된파랑스펙트럼, inter-look cross-spectra 자료이며, 해류의속도정보를산출할수있는 Doppler shift 결과자료이다 (Table 2). 모든결과는원격탐사및 GIS 전용상용프로그램으로손쉽게열어볼수있도록설계하였다. Raw Data 4. 연구결과 SAR Focusing Doppler Shift Shift Detection Surface Velocity Az FFT SLC Az FFT, Beam Split, Az ifft, Detect l 1 l 2 l 3 l 4 Inter-Look Cross Spectra Solve 180 Ambiguity L * 1L 3 L * 2L 4 Cross Avg Cross Avg Multi-Look (4 Looks) 2D FFT SAR Wave Inversion Ocean Wave CMOD Fig. 1. Flowchart for SAR Ocean Processor. Table 2 Input and output of SOP processor Wind 입력파일로는원시자료 (raw data) 로부터 SAR focusing 과정을거친 CEOS 포멧의 본연구에서사용된 RADARSAT-1 영상 자료는제주도인근해역을포함한 1999 년 11 월 15 일, 1999 년 11 월 25 일, 1999 년 12 월 19 일 3 개영상과 2004 년 11 월 8 일관측 된서해안인근해역의 1 개영상이다. SOP 프로세서수행결과도출된자료를비교분 석하기위한현장자료로는우도에서관측된 AWS (automatic weather system) 기상자 료와 국립해양조사원 ( 에서 제공하는인천인근의서해안해역의조류예 측도자료를참조하였다. wind speed [m/s] CMOD4_Bragg CMOD4_Unal CMOD4_Krichhoff CMOD4_Elfouhaily CMOD_IFR2_Bragg CMOD_IFR2_Unal CMOD_IFR2_Krichhoff CMOD_IFR2_Elfouhaily sigma-naught [db] Fig. 2. Plot of wind speed estimated using CMOD4 and CMOD-IFR2 models. Fig. 2 에도시된그래프는 1999 년 11 월 15 일제주인근해역의수십km영역에서

4 추출된결과이다. 대략 -20~-5 db 범위의 후방산란계수값을보이며, 각각의산란모델 에따라 1~11 m/s 의풍속값을나타내고 있다. Fig. 3 은 1999 년 12 월 19 일 RADARSAT-1 영상자료로부터제주도인근 해역에서추출된파랑스펙트럼과 cross-spectra 과정을통해도출된 amplitude, real, imaginary 크로스스펙트 럼 (cross spectrum) 결과를도시한것이다. Wave-SAR 변환식을적용하여추출된파 랑스펙트럼과 amplitude 의크로스스펙트럼결과는, 위치에서값을보이는 대칭형태를보이며, real 과달리 imaginary 결과는비대칭형태를나타내고있다. 파랑 의진행방향은추출된 imaginary 스펙트럼 결과에서 (+) 쪽으로결정된다. Fig. 3 은 GCP (ground correction point) 보정전영 상으로 imaginary 결과에서오른쪽방향이 파랑의진행방향이다. GCP 보정이후의결과 인 Fig. 4 (C) 에서보면, 오른쪽아래방향 에해당된다. 파장 (wavelength) 을구하기위해추출된파랑스펙트럼으로부터파수벡터 를구하고, 관련식으로부터파랑의파장 () 을산출하여 Table 3 에정리하였다. Fig. 4 에도시된영 상지역은제주도인근해역이며, 1999 년 11 월 15 일, 1999 년 11 월 25 일, 1999 년 12 월 19 일에관측된자료들이다. Fig. 4 의영상은 수km범위로 (C) 의 multi-look 영상을살펴 보면, (A), (B) 에비해파랑이충분히발달된 너울 (swell) 의형태가선형적패턴으로나타 나며, 파정 (wave crest) 과안테나쪽을향하 고있는면이밝게보이는영상특징을나타 내고있다. 오른쪽에도시된파랑스펙트럼 의형태또한 (A) 와 (B) 는분산된형태를보 이는반면 (C) 는대칭적으로뚜렷한형태를 보이고있다. (A) (B) SAR Cross- (Amplitude) (C) Cross- (real part) Cross- (imaginary part) Fig. 3. SAR wave spectrum and inter-look cross-spectra ( imagette). Fig. 4 는 wave-sar 변환식을적용한 imagette 결과영상이며, 파랑의 Fig. 4. Multi-look images (left) and SAR wave spectrum results (right) for imagette. GCP corrected images: (A) 1999/11/15, (B) 1999/11/25, (C) 1999/12/19. Table 3 에정리된바와같이 12 월 19 일

(C) 영상은 AWS 자료를살펴볼때평균풍향 280, 평균풍속 7 m s의바람이 7일이상지속되어풍랑이충분이발달될수있는조건으로앞서기술한바와같이너울의형태를살펴볼수있다. 상대적으로 11월 15일 (A) 과 11월 25일 (B) 영상에서는너울의형태를육안으로식별하기는어려우며, 부분적인영역에서파랑의특성을보이고있는정도이다.

5 (C) 영상은 AWS 자료를살펴볼때평균풍향 280, 평균풍속 7 m s의바람이 7일이상지속되어풍랑이충분이발달될수있는조건으로앞서기술한바와같이너울의형태를살펴볼수있다. 상대적으로 11월 15일 (A) 과 11월 25일 (B) 영상에서는너울의형태를육안으로식별하기는어려우며, 부분적인영역에서파랑의특성을보이고있는정도이다. 풍랑이너울과같이충분히발달된경우는영상내에서육안식별로도파랑의특징을구별할수있을뿐아니라스펙트럼분석결과도신뢰할만한값과오차범위를보임을알수있다. Doppler shift 기법은위성체의진행방향에수직하며, 레이더파의진행방향인시야방향에대한정보만을추출할수있는한계성이남아있다. Table 3 Ocean wave direction and wavelength extracted from RADARSAT-1 images and automatic weather system (AWS) data Fig. 5. Surface current velocity estimation results (2004/11/8, 18:30, Duckjeok island, southern region). The arrows represent velocity vector direction. Fig. 5는 Doppler shift 기법을적용하여추출된속도벡터결과를 multi-look 영상에중첩하여도시한그림이다. 화살표는속도벡터의방향과크기에따라다르며, 길이가길수록이동속도가빠르고, LOS 방향에한정된안테나를향하는쪽 ( 왼쪽 ) 과반대쪽 ( 오른쪽 ) 방향만을나타내고있다. 도시된영상지역은 2004년 11월 8일서해안인근덕적도남쪽해역이다. 이때계산된이동속도 (current speed) 는수십cm에서 4 m s구간의값을보였으며, 이동방향은왼쪽과오른쪽이혼재되어있으나전반적으로왼쪽으로나타나고있다. 위에서언급했듯이 Fig. 6. Sea current simulation data (2004/11/8 18:30, National Oceanographic Research Institute). Fig. 6 은국립해양조사원에서제공하는예 측조류도자료이다. RADARSAT-1 영상자 료가관측된 2004 년 11 월 8 일오후 6 시 30

6 분자료이며, 네모상자영역은 Fig. 5 에도 시된영상과같은지역이다. 이는실측자료 가아닌예측자료이므로오차가있을수있 으나덕적도주변해역의경우대략서쪽으 로이동방향이나타나고있다. Fig. 5 의결 과는단순히시야방향에대한정보의한계성 이있으나전반적으로왼쪽으로나타내고있 으며, 이는조류의예측방향과부합되는결 과를보이고있다. 5. 결론 본연구에서개발된 SOP 프로세서는해상 에서발생되는해풍, 파랑, 해류의특성과관 련물리량을산출하기위한것으로해풍정 보추출을위해 CMOD4 와 CMOD-IFR2 경 험모델을적용하였다. 파랑의크기와방향 추출은 wave-sar 변환식과 inter-look cross-spectra 기법을사용하였으며, Doppler shift 기법으로부터해류나해상에 서의움직임에대한이동속도와방향정보를 산출하였다. SOP 수행결과와현장관련자료 를비교하여본결과신뢰할만할결과를얻 을수있었다. 추후해양에서발생되는다양 한현상을관측한영상자료획득및현장실 측자료들이확보되고, 알고리즘보완및수 정단계를거치게되면더욱향상된정보추 출이가능할것으로기대된다. 후 기 이연구는 2006 년도해양연구원기본사 업인기상재난파에의한해양구조물의안전 성평가기술개발사업의지원을받았다. 참고문헌 [1] Bao, M. and Alpers, W. (1998), "On the Cross Between Individual-Look Synthetic Aperture Radar Images of Ocean Waves", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 36, No. 3, pp [2] Chapron, B., Collard, F., and Ardhuin, F. (2005), "Direct Measurements of Ocean Surface Velocity from Space: Interpretation and Validation", J. of Geophysical Research, Vol. 110, pp [3] Dowd, M., Vachon, P. W., Dobson, F. W., and Olsen R. B. (2001), "Ocean Wave Extraction from RADARSAT Synthetic Aperture Radar Inter-Look Image Cross-Spectra", IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 39, No. 1, pp [4] Engen, G. and Johnsen, H. (1995), "SAR-Ocean Wave Inversion Using Image Cross Spectra", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 33, No. 4, pp [5] Horstmann, J., Koch, W., Lehner, S., and Tonboe, R. (2000), "Wind Retrieval over the Ocean using Synthetic Aperture Radar with C-band HH Polarization", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 38, No. 5, pp [6] IFREMER-CERSAT (1999), "Off-Line Wind Scatterometer ERS Products: User Manual, Technical Report C2-MUT-W-01-IF", IFREMER-CERSAT. [7] Stoffelen, A. and Anderson, D. (1997a), "Scatterometer Data Interpretation: Estimation and Validation of the Transfer Function CMOD4", J. of Geophysical Research, Vol. 102, No. C3, pp [8] Stoffelen, A. and Anderson, D. (1997b), "Scatterometer Data Interpretation: Measurement Space and Inversion", J. of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 14, pp

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<30312DC6AFC1FDB1E2BBE D E666D> SAR j k h Analysis on Offshore Wind Using SAR Satellite Imagery mn 1) p l 2) Hwang, Hyo-JungpKim, Hyun-Goo 1. Š a j h } p j a º. 2010 l h 199.5GW k h 3.6GW º. (1) h, î m j 2000 ¼ h } k p k h mø º. k k