강지혜, 정수정 지도교수 이 훈 열 강원대학교 지구물리학과 SAR 영상에서 해류 속도 추출 방법 연구 강지혜, 정수정 지도교수 이 훈 열 강원대학교 지구물리학과

발표 순서 1. 서론 2. 연구 목적 3. 연구 지역 4. 기초 이론 5. 자료 처리 6. 결과 및 해석 7. 결론

1. 서론 • 인공 위성 원격 탐사 → 해양학 분야에서 경제적이며 광역적인 연구에 필수적인 기술 • 인공 위성 원격 탐사 → 해양학 분야에서 경제적이며 광역적인 연구에 필수적인 기술 • 해상의 상태를 고해상도의 영상 자료로 제공할 수 있는 특성. • SAR 영상으로부터 Doppler shift 기법을 이용하여 해류 정보 추출 ㅍ최근 인공위성 원격 탐사는 해양학 분야에서 필수적인 기술로 부각되고 있습니다 , 능동형 센서를 사용하여 낮/밤의 영향을 받지 않으고, 대기나 기상상태에 따른 제약점이 없습니다. 수시로 변화하는 해상의 상태를 고해상도의 영상 자료로 제공할수 있는 특성으로 해류와 같은 해상 정보를 추출하기 위한 연구에 활용되고 있습니다. 이 논문에서는 sar센서를 탑재한 radarsat1위성 영상으를 분석하였습니다. sar영상 자료의 수신 주파수의 변화로부터 도플러 shift기법을 이용하여 해류 정보를 추출하였습니다 . 속도 정보 추출을 위하여 자체 개발된 sop를 이용하였으며 radarsat1 sar영상으로부터 해류 속도 파라미터를 추출하였습니다. 추출된 속도 자료를 실측자료인 Hfradar 자료와 비교 분석 함으로써 sar 위성영상으로부터 추출된 해양 물리학적 파라미터가 신뢰할 수 있는 자료임을 검토하는데 목적을 두었습니다.

2. 연구 목적 (1) SAR 해류 속도 추출을 위한 SOP (SAR Ocean Processor)의 최적 제어 변수 결정 (2) SAR 해류 속도 정보와 지상의 HF-radar 해류속도 자료 비교 (3) SAR 해류 속도 보정

3. 연구지역 • Radarsat-1 SAR image 인천 태안반도 덕적도 Range Azimuth • Radarsat-1 SAR image • 서해안 인천 앞바다 주변 지역 → 1일 2회 밀물과 썰물의 변화 가 두드러짐 • HF-radar 해류 정보 추출 지점 → SAR 영상과 중첩되는 부분 연구 지역입니다. 이 영상은 레이다셋1 이미지로 1일 2회의 밀물과 설물의 변화가 두두러진 서해안의 모습입니다. 빨간 상자는 hf-radar 해류추출 지점으로 sar영상과 중첩되며 이 논문의 중요 연구 지역인 인청 앞바다 입니다

4. 기초 이론 4-1. 해류의 특성 해류 • 태양의 불균등한 가열 → • 복잡한 연안→조석에 영향→밀물과 썰물 발생 4. 기초 이론 4-1. 해류의 특성 • 태양의 불균등한 가열 → • 복잡한 연안→조석에 영향→밀물과 썰물 발생 해류 해류의 특성입니다. 해수를 움직이게하는 원천은 태양 에너지 입니다. 태양에너지에 의한 불균등한 가열은 전 지구에 걸쳐 열이 균등하게 분배되려는 흐름을 유발하는데 (클릭)이를 해류라고 합니다 해수가 크게 유동하여 생성되는 해류는 복잡한 연안에서 조석에 의한 영향을 받습니다. 이 조석의 효과가 증대되어 밀물과 썰물의 형태가 인력에의해 나타나게됩니다 이러한 기조력에 의해 만조, 간조의 모습을 보입니다

4-2. SAR 원격탐사 • 합성구경레이더(SAR)는 인공위성에 탑재된 센서, 영상 레이더 • 대기나 기상 상태에 따른 제약점 없음 • 능동형 센서, 낮/밤의 영향에 무관 • 해양학적 현상들을 2차원의 SAR 영상 자료로 가시화 • RADARSAT-1 SAR센서는 5.3GHz주파수, HH 편광모드 작동 sar는 인공위성에 탑재된 센서 중의 하나로, 영상 레이더의 일종입니다 해양에서 일어나는 해양학적 현상들을 2차원의 sar영상 자료로 가시화 합니다

4-3. Doppler shift 기법 • Doppler 효과 : 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 중 하나 이상이 운동하고 있을 때 발생하는 효과 • SAR 영상이 얻어질 당시 산란체의 움직임은 Doppler shift로 기록 • 파의 진행 방향 LOS(Line of Sight)방향에 대한 속도값을 추출 • 해류의 이동속도(speed, )와 Doppler shift( )와의 선형적 관계식 해류의 이동 속도와 드플러 시프트의 관계식은 다음과 같습니다. 속도 정보추출을위해 sop를 구동하여 도플러 영상, 벡터 파일 형식의 도플러 시프트 예측정보, 벡더와 텍스트 파일 형식의 속도정보를 추출하였습니다.

4-4. HF-radar의 개념 • Doppler효과를 이용→표층 해수 유동에 대한 거리, 속력, 방향정보 측정 • 육상 기지국에서 해수면에 고주파발사, 반사되어 되돌아 오는 주파수 변화 측정 • 사용한 해류 정보 U : Eastward current velocity V : Northern current velocity • 국립 해양 조사원 자료에서 제공 주파수 파장 Ocean wave 25MHz 12m 6m 12MHz 25m 12.5m 5MHz 60m 30m hf-radar는 도플러 효과를 이용하여 관측위치로부터 표층 해수 유동에 대한 거리, 속도, 방향 정보를 측정합니다. 육상 기지국에서 해수면에 고주파를 발사시켜 반사되어 되돌아오는 주파수의 변화를 측정하는 장비입니다. 비와 안개에도 영향을 받지 않으며 microwave radar보다 더 잘 이동하는 특징을 가지고 있습니다. 이 논문에서는 25mhz주파수를 사용한 hf-radar자료를 이용하였으며, 위도 37.2683 경도 126.1286에서측정하였습니다. 연구에 이용된 모든 hf-radar자료는 국립 해양 조사원으로부터 제공 받았습니다. 아래의 그림은 hf-radar data의 모습으로 빨간 상자는 추출되는 해류 정보들이며 녹색 상자는 우리 논문에 이용한 u, v의 자료 입니다 U는 동으로 향하는 해류의 속도를, v는 북으로 향하는 해류의 속도를 의미 합나디

5. 자료 처리 5-1. SAR 영상 자료처리 관측날짜 관측시간 관측모드 영상지역 (degree) 물때 2003. 5. 6 18:33:17 standard 5 서해안 연안 지역 37.0139093 N, 126.3653691 E 밀물 2003. 5. 30 18:33:14 37.0389203 N, 126.2102356 E 썰물 2003. 7. 17 18:33:09 37.0204028 N, 126.3696765 E 2003. 8. 10 18:33:06 37.0206934 N, 126.3721770 E 2003. 9. 27 18:33:05 37.0155422 N, 126.3608840 E 2003. 10. 21 18:32:50 36.9946995 N, 126.3659331 E 자료처리입니다. SAR 영상자료2003년도 6개의 영상을 이용하였으며,영상들 모두 관츧모드 standard5, 관측시간 18시 33분전후의 영상을 이용하였습니다 또한 국립해양조사원의 예측조류도를 통하여 5월 6일,7월 17일은 밀물때 , 나머지 영상은 썰물때임을 알 수 있었슺이다

Current Velocity Estimation Data SAR 영상 자료처리 HF-radar 자료처리 SOP processing SLC HF-radar data text 형식, 단위조정 Doppler Shift U, V 속도 추출 Surface Velocity Gridding Gridding Image Current Velocity Estimation Data (text file) 영상회전 Gridding U`, V` 속도 영상 추출 Gridding Image Geocoding Sar영상 자료처리입니다(클릭) 싸 영상자료처리를 위하여 먼저 sop processing 과 정을 수행하였습니다(클릭) 인풋파일은 radarset1 slc 영상을 이용하고 츌력파일은 …..입니다(클릭) Sop은 명령어 사용황경에서 이루 어지기 때문애 변수제어들을 입력하여 파라미터 파일을 구성하엿습니다(클릭) 입력 변수는 다음과 같습이다. (클릭) Sop processing 과정을 수행한후, 그리딩 영상을 얻었으며, 기하보정을 통하여 좌표를 부여하였습니다 이로부터 sar 영상의 해류예측속도를 산출하엿습니다. U`속도 영상 추출 Current Extraction Comparison : Average, Standard Deviation, RMS error, Correlation, Scattergram

Doppler shift 영상 추출 • 추출된 도플러 영상에 이론적 도플러 중심과 추출된 도플러 중심을 도시할 수 있는 Doppler shift estimation 벡터 파일을 중첩한 결과 • 빨간색 점 추출된 도플러 중심 • 파란색 점 이론적 도플러 중심 • Doppler centroid shift 해류의 움직임에 기인

6. 결과 및 해석 6-1. HF-radar 자료처리 결과 및 해석 (a) 5월 6일 (b) 5월 30일 (c) 7월 17일 (d) 8월 10일 (e) 9월 27일 (f) 10월 21일

6-2. SAR 해류 속도 추출 변수 결정 • dc_avx, dc_avy : Averaging Factor during Doppler Center Estimation dc_avy = (dc_avx × 4) - 3 → dc_avx : 5, 9, 13, 17, 21 → dc_avy : 17, 33, 49, 65, 81 • nptyc : 1D Azimuth FFT size → → • dc-xstep, dc-ystep : Current Estimation Steps → 32

SAR 해류 속도 추출 변수 결정: dc_avx, dc_avy 평균, 표준 편차 변수 결정은 반복된 일련의 과정을 통하여 nptyc는 2의 7승을, dc-avx,y step은 32, velscale은 300, 으로 결정하얐습니다 영상에 가장 많은 영향을 주는 dc-avx, avy 변수는 dc-avx와 y는 dc-avy=(dc-avx*4)-3의 관계식을 이용하여 dc-avx 5,9,13,17,21, dc-avy 17,33,49,65,81로 값을 주어 비교하엿습니다 Dcavx의 증가에따라 평균과 표준편차가 안전화됨을 알 수 있었습니다 영상 또한 avx21, acy81에서 가장 최적임을 알 수 있었으며 이를 입력변수로 결정하였습니다. 위의 그래프에서 표준편차의 분포는 여섯 개의 영상에서 모두 비슷한 반면, 평균의 분포가 5월 30일 영상에서 두드러지게 높은 값을 보임을 알 수 있었습니다. 이는 모든 영상에서 평균값에 대한 보정이 필요함을 알 수 있습니다. SAR 와 HF radar 속도 값의 차를 기준으로 SAR영상의 속도를 보정 하였습니다.

SAR 해류 속도 추출 변수 결정 : dc_avx, dc_avy 변화 영상 2003.5.6 영상 (a) SAR image (b) 5×17 (c) 9×33 (d) 13×49 (e) 17×65 (f) 21×81

SAR_V 평균 보정 = 보정 전 SAR V - (SAR_V – HF) 6-3. SAR 영상과 HF-radar 자료처리 결과 및 해석 SAR_V HF-radar U’ 날짜 분포 범위 평균 std 2003.05.06 -0.346～0.412 0.075 0.177 2003.05.30 1.819～2.693 2.269 0.207 2003.07.17 -0.458～1.056 0.113 0.246 2003.08.10 -0.328～0.432 0.066 0.213 2003.09.27 -0.436～0.493 0.123 0.225 2003.10.21 -0.331～0.408 0.216 0.163 분포 범위 평균 std -0.221～0.489 0.181 0.11 -0.897～-0.151 -0.363 0.101 -0.058～0.695 0.332 0.131 -0.225～0.142 -0.481 0.189 -0.383～0.42 -0.125 0.14 -0.975～0.002 -.288 0.142 SAR_V 평균 보정 = 보정 전 SAR V - (SAR_V – HF) 날짜 평균 std RMS오차 2003.05.06 -0.105 0.171 0.2007 2003.05.30 2.635 0.227 2.6318 2003.07.17 -0.218 0.269 0.3462 2003.08.10 0.546 0.325 0.6354 2003.09.27 0.248 0.3362 2003.10.21 0.504 0.207 0.5449 평균 std 0.18 0.177 -0.363 0.207 0.331 0.246 -0.48 0.213 -0.125 0.225 -0.288 0.163 SAR_V-HF_U’ 보정 후 SAR_V

6-4. SAR 속도 영상과 HF-radar 속도 영상 비교 2003년 7월 17일 (밀물) (a) HF radar U’ (b) SAR V (c) SAR V - HF U’ (d) 보정 후 SAR V (e) 보정 후 SAR V - HF U’ (f) Scattergram

2003년 5월 6일 (밀물) (a) HF radar U’ (b) SAR V (c) SAR V - HF U’ (d) 보정 후 SAR V (e) 보정 후 SAR V - HF U’ (f) Scattergram

2003년 5월 30일 (썰물) (a) HF radar U’ (b) SAR V (c) SAR V - HF U’ (d) 보정 후 SAR V (e) 보정 후 SAR V - HF U’ (f) Scattergram

2003년 8월 10일 (썰물) (a) HF radar U’ (b) SAR V (c) SAR V - HF U’ (d) 보정 후 SAR V (e) 보정 후 SAR V - HF U’ (f) Scattergram

2003년 9월 27일 (썰물) (a) HF radar U’ (b) SAR V (c) SAR V - HF U’ (d) 보정 후 SAR V (e) 보정 후 SAR V - HF U’ (f) Scattergram

2003년 10월 21일 (썰물) (a) HF radar U’ (b) SAR V (c) SAR V - HF U’ (d) 보정 후 SAR V (e) 보정 후 SAR V - HF U’ (f) Scattergram

7. 결론 (1) SAR 위성영상으로부터 Doppler shift 기법을 이용하여 해류(조류)의 이동 속도 산출 → 해류 파라미터 추출 → 최적 제어 변수 결정 (2) SAR 해류 속도 정보와 HF-radar 해류 속도 자료 비교 → Nominal Doppler centroid 오차 확인 → HF-radar 해류 속도를 기준으로 SAR 해류 속도 오차 평균 보정 (3) 보정 된 SAR 해류 속도 영상 → 보정 전, 후 SAR 표준편차 유지 → 해상도 유지 → 밀물(+), 썰물(-)

감사합니다