SAR 영상자료를 이용한 해양 파라미터 추출 기법 연구 강문경* · 이훈열 (강원대학교 지구물리학과) 박용욱 (쓰리지코어) 이문진 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소)

목 차 연구 목적 SAR를 이용한 해양 연구 방법 SAR Ocean Processor (SOP) SOP 프로세서 입출력 Wind: CMOD4, CMOD_IFR2 모델 Wind Speed Wave: Inter-Look Cross-Spectra Wave 파장과 방향 RADARSAT-1 영상자료의 Wave 결과와 AWS 자료 Current: Doppler shift estimation 추출 결과 Doppler shift 속도 벡터 추출 결과 예측조류도 결 론

연구 목적 와 같은 해양물리학적 정보를 추출할 수 있는 종합적인 프로세서 개발과 적용을 목적으로 함. SAR 기술: 대기나 기상상태에 따른 제약점 없고, 낮/밤의 영향 받지 않음. 해양의 해풍(wind), 파랑(wave), 해류(current)와 같은 해양 현상에 대하여 인공위성 SAR 영상자료로부터 풍속의 크기와 방향(제한적), 해파의 파장과 진행 방향, 유속의 LOS방향 크기 와 같은 해양물리학적 정보를 추출할 수 있는 종합적인 프로세서 개발과 적용을 목적으로 함.

SAR를 이용한 해양 연구 방법 Target Wind Wave ( ) Current Methods Values Wind Retrieval Models Wave-SAR Transform Inter-look Cross-Spectra Doppler Shift Dual-Beam ATI Magnitude ○ △ LOS only Direction × (Wind streak) 180° ambiguity Spatial Resolution 10 m SAR Resolution 2 km SAR Imagette SAR resolution Major Limit A priori wind direction required Azimuth cutoff, strongly nonlinear wind + current decomposition New system

SAR Ocean Processor (SOP) Raw Data Multi-Look (4 Looks) l1 l2 l3 l4 SLC SAR Wave Spectrum Inter-Look Cross Spectra Doppler Shift Ocean Wave Solve 180° Ambiguity Surface Velocity Wind Az FFT (Imagette) Az FFT, Beam Split, Az iFFT, Detect 2D-FFT L1L3* L2L4* Cross 2D FFT Inversion CMOD SAR Focusing Avg Shift Detection

SOP 프로세서 입출력 Language: ANSI-C, Cygwin environment Command-line based Input: RADARSAT-1 SLC (CEOS format) Output: SLC Header Off Multi-look Image (by average) Wind Backscattering Coefficient (Sigma_naught, dB) CMOD_4 Wind Speed (m/s) CMOD_IFR2 Wind Speed (m/s) Wave Wave Spectrum Inter-look Cross Spectrum Multi-look image (from inter-look processing) Current Doppler Image Doppler Shift Estimation (Vector File) Velocity Estimation (Text File) Velocity Vectors (Vector File)

Schematic flow chart of wind retrieval from SAR image Wind: CMOD4, CMOD_IFR2 모델 The CMOD_4 wind retrieval model: The most commonly used and applied successfully for wind speed retrieval from VV-polarized SAR data The CMOD_IFR2 wind retrieval model is very similar to the CMOD_4 except the different parameter values. Wind direction is a necessary input parameter for these wind retrieval models. The wind directions could be obtained from wind-induced phenomena that are visible in SAR images or atmospheric model results. Schematic flow chart of wind retrieval from SAR image

Wind Speed RADARSAT-1 standard image data 1999년 11월 15일 제주도 근해 Nominal incidence angle: 36.71° Wind direction: 280° (우도 AWS자료 참조) PR: Bragg, Unal, Kirchhoff, Elfouhaily GCP 보정 전 영상

Wave: Inter-Look Cross-Spectra Real part : symmetric Imaginary part : anti-symmetric information on the wave propagation direction: positive value of imaginary part 180° ambiguity 해결 AWS 기상자료를 참조 파랑(너울)의 진행방향 -> imaginary spectrum의 (+) 방향(red part)과 일치함. Cross-Spectrum (real part) Cross-Spectrum (imaginary part) SAR Spectrum Cross-Spectrum (Amplitude)  GCP 보정 전 영상자료

Wave 파장과 방향 Radarsat-1 영상 자료 Radarsat-1 영상 취득 날짜 동일지역: 제주도 근해 파랑(너울)의 발달 정도 Radarsat-1 영상 취득 날짜 1999년 11월 15일(A) 1999년 11월 25일(B) 1999년 12월 19일(C) (A), (B), (C) 2D-FFT 결과 256×256 imagette size region 파수 벡터 -> 해파의 파장 산출 파랑의 진행 방향 -> 180° ambiguity 180°ambiguity 발생 → inter look cross-spectra로 해결 (A) (B) (C)

RADARSAT-1 영상자료의 Wave 결과와 AWS 자료 영상 취득 날짜 측정값 1999년 11월 15일 (A) 11월 25일 (B) 12월 19일 (C) 파랑자료 (위성영상분석) 측정풍향 281 ° (±4°) 286 ° (±10°) (±1°) 측정파장 94.5 m (±14 m) 99.5 m (±28 m) 156 m (±8 m) 바람자료 (AWS) 평균풍향 285 ° 277 ° 280 ° 지속시간 2일 정도 1일 이하 7일 이상 평균풍속 9 ㎧ 11 ㎧ 7 ㎧

Doppler shift estimation 추출 결과 서해안 덕적도 부근 해역 파란색 점 -> 이론적 도플러 중심(nominal Doppler centroid) 빨간색 점 -> 해류에 의한 Doppler shift

Doppler shift 속도 벡터 추출 결과 덕적도 대부도 태안반도

Doppler shift 속도 벡터 추출 결과 덕적도

예측 조류도 국립해양조사원 (www.nori.go.kr) 2004년 11월 8일 18시 30분 Doppler shift 속도 추출 결과와 예측 조류도 비교 Current speed: ~ 1.2 m Current direction: 주로 왼쪽 방향을 나타냄 시야방향(LOS)에 대한 정보 추출 의 한계성 보임 이동방향 -> 전체적으로 예측 조류도와 부합된 결과

결 론 SOP (SAR Ocean Processor) 프로세서 개발 SOP 프로세서 수행결과 SAR 영상에서 해풍(wind), 파랑(wave), 해류(current) 정보 추출을 위한 종합적인 프로세서 SOP 프로세서 수행결과 해풍 정보: CMOD4, CMOD_IFR2 자료 -> 풍속 파랑 정보: 파랑 스펙트럼(wave spectrum) -> 해파의 파장 파랑 정보: Inter-Look Cross-Spectra 자료 -> 파랑의 진행방향 해류 정보: Doppler shift 결과 -> 해류의 속도와 LOS 방향의 진행방향 프로세서 처리 결과는 원격탐사 및 GIS 전용 상용 프로그램으로 손쉽게 열어볼 수 있도록 설계하였다. 한반도 연안 지역 적용 Radarsat-1 영상 자료로부터 해풍, 파랑, 해류의 물리적 정보를 추출 현장 관련 자료와 비교 검토: AWS 자료, 예측 조류도 향후 다양한 SAR 영상 자료의 취득과 현장 관측 자료의 동시 획득 및 검증 과정 필요