강문경 · 박용욱 · 이훈열 (강원대학교 지구물리학과) 이문진 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) SAR를 이용한 해풍, 파랑, 해류 추출 기법 연구 강문경 · 박용욱 · 이훈열 (강원대학교 지구물리학과) 이문진 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소)

목 차 연구목적 SAR를 이용한 해양 연구 방법 SAR Ocean Processor (SOP) SOP 프로세서 입출력 Wind: CMOD4, CMOD_IFR2 모델 wind direction과 sigma0 관계 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

연구목적 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 Wave ( ) Wind Velocity Current Velocity Methods Values Wave-SAR Transform Inter-look Cross-Spectra Wind Retrieval Models Doppler Shift Dual-Beam ATI Magnitude ○ △ LOS only Direction 180° ambiguity × (Wind streak) Spatial Resolution 2 km SAR Imagette 10 m SAR Resolution SAR resolution Major Limit Azimuth cutoff, strongly nonlinear A priori wind direction required 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 direction과 sigma0 관계

Wind Speed RADARSAT-1 standard image data 1999년 11월 15일 제주도 근해 Nominal incidence angle: 36.71° Wind direction: 280° (우도 AWS자료 참조)

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 진행방향은 imaginary part의 (+) 방향과 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: 동일지역 (제주도 근해), 파랑(너울)의 발달 정도에 따라 선택 영상취득날짜: 1999년 11월 15일, 11월 25일, 12월 19일 (A), (B), (C) 측정 지역의 2D-FFT 결과: 256×256 imagette 180°ambiguity 발생 → inter look cross-spectra로 해결 (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 점은 이론적 도플러 중심(nominal Doppler centroid), 빨간색 점은 해류에 의한 Doppler shift

Doppler shift 속도 벡터 추출 결과 덕적도

Doppler shift 속도 벡터 추출 결과

예측조류도 국립해양조사원(www.nori.go.kr) 2004년 11월 8일 18시 30분 서해안 덕적도 인근 해역 Doppler shift 속도 추출 결과 비교 추출된 속도 벡터 자료의 이동 방향은 주로 서쪽 방향을 나타냄 이는 시야방향에 대한 정보의 한계성 보임 대체적으로 예측조류도 결과와 부합

결 론 SAR 영상에서 해풍(wind), 파랑(wave), 해류(current) 정보추출을 위한 종합적인 프로세서인 SOP (SAR Ocean Processor)을 개발하였다. SOP 프로세서 수행결과 출력되는 파일은 해풍 정보인 CMOD4, CMOD_IFR2 자료, 파랑 정보를 갖고 있는 파랑 스펙트럼(wave spectrum), inter-look cross-spectra 자료이며, 해류의 속도 정보를 산출할 수 있는 Doppler shift 결과 자료이다. 모든 결과는 원격탐사 및 GIS 전용 상용 프로그램으로 손쉽게 열어볼 수 있도록 설계하였다. SOP 프로세서를 한반도 연안 지역에 적용하여 Radarsat-1 영상자료로부터 해풍, 파랑, 해류의 물리적 정보를 추출하였으며, 이를 현장자료와 비교 검토한 결과 신뢰할만한 결과를 얻을 수 있었다. 향후 SAR 영상의 취득과 현장관측 자료의 동시 획득이 이루어져야 한다.

“감 사 합 니 다”