측량 분야에서 고정도의 변위 계측 기술이라고 하면, 오랫동안 수준 측량이 사용되고 있었다. 기술의 진보와 함께 최근에는 GNSS 측량이나 위성 SAR에 의한 변위 계측이라는 선택지도 생겨났다.
GNSS 측량에 관한 상세한 내용은 앞서 ‘고정도 GNSS 측위 기술의 계량 분야 이용 동향’에서 다루었는데, 많은 장소에서 활용되고 있다. 위성 SAR의 실제 이용은 GNSS 측량에는 미치지 못하지만, 면적으로 계측할 수 있는 점이나 지상에 계측기기가 필요 없기 때문에 과거로 거슬러 올라가 계측할 수 있는 등 다른 기술에는 없는 장점이 있다.
여기에서는 위성 SAR를 이용한 변위 계측 기술의 개요와 그 활용의 확대에 대해 다루기로 한다.
위성 SAR 및 간섭 SAR의 개요
SAR은 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar)의 약자로, 일반적으로는 ‘사’라고 부르고 있다. 플랫폼은 위성에 한정되지 않고 항공기나 UAV, 지상 설치형 등 여러 가지가 있는데, 여기에서는 위성에 초점을 맞춰 설명한다.
우선 처음으로 SAR는 일반적인 위성 광학 센서와 달리, 마이크로파에 의한 능동형 센서이다. 마이크로파를 이용하고 있기 때문에 구름을 투과하고, 야간에도 관측이 가능하다.
그러나 장파장의 전자파를 이용함으로 실제 개구의 관측에서는 지상분해능을 높일 수 없다(그림 1 왼쪽). 그렇기 때문에 위성이 이동하면서 관측한 데이터로부터 동일 지점의 정보를 복원하는 합성 개구 처리에 의해 지상분해능을 향상시키고 있다. 이 처리는 궤도상에 가상적으로 긴 안테나를 설치하고 있는 것과 동일한 효과가 있다. 이와 같은 특수한 관측 형식을 취하고 있기 때문에 관측 입사각이 수직에서 40도 정도 기울어져, 산지나 고층 빌딩이 위성 측으로 쓰러지는 SAR 특유의 기하학적 특성이 생긴다.
SAR에서 얻은 정보는 크게 나눠서 ‘후방 산란 강도’, ‘위상’의 2종류가 있다(그림 2). ‘후방 산란 강도’는 지표면의 요철을 반영하기 때문에 주로 토지 피복의 상태를 조사하는 데 이용된다. 후방 산란 강도로부터 판독할 수 있는 지형의 모양을 이용한 화상상관법에 의한 변위 해석 기법(픽셀 오프셋법)도 존재하지만, 계측할 수 있는 변위량이 크기(수십 cm에서 수 m 이상) 때문에 여기에서는 다루지 않는다.
주로 변위 계측에 이용되는 것은 ‘위상’의 정보이다. 이 ‘위상’을 이용한 간섭 SAR 해석에 의해 지표면의 변위를 계측할 수 있다.
간섭 SAR 해석의 개요
간섭 SAR 해석은 ‘InSAR(Interferometry SAR)’, ‘DInSAR’, ‘차분 간섭 SAR’라고도 부른다. SAR로 관측하고 있는 ‘위상’은 대상에서 되돌아온 마이크로파의 마지막 파장의 위상(0～2µrad)이다. 그러나 계측할 수 있는 것은 ‘위상’뿐으로, 대상물까지의 파장 수는 계측할 수 없다(그림 3). 그렇기 때문에 한 시기의 데이터로부터는 높이 정보도 변위도 구할 수 없다.
이때 동일한 궤도에서 동일한 장소를 관측한 두 시기의 SAR 데이터를 취득하면, 동일한 장소의 ‘위상차’를 구할 수 있다. 이것을 ‘간섭 처리’라고 부른다. 두 시기 사이에 변위가 없으면, 되돌아오는 위상은 동일할 것이다. 그러나 두 시기 사이에 어떠한 변위가 있으면 ‘변위차’가 나타난다. 이 기법을 간섭 SAR 해석이라고 부른다. 이때 파장의 일주기를 넘는 변위가 발생한 경우는 파장의 수는 셀 수 없기 때문에 변위가 과소평가된다. 그렇기 때문에 간섭 SAR로 계측할 수 있는 범위는 파장의 길이에 의해 제약되는 것에 주의가 필요하다.
간섭 SAR 해석의 사례로서 2016년에 발생한 구마모토(熊本) 지진의 간섭 SAR 해석 결과를 그림 4에 나타냈다. 해석에는 유럽우주기관(ESA)이 운용하고 있는 Sentinel-1(관측 파장 C 밴드 : 5.6cm)을 이용하고 있다.
지진과 같은 큰 지각 변동이 발생하면, 광범위에 걸쳐 위상차가 나타난다. 위상은 0～2µ의 값을 가지며 순환하기 때문에 무지개색의 컬러 팔레트가 일반적으로 이용되고 있다. 구마모토 지진의 단층 부근에서는 매우 큰 변동이 발생하고 있었기 때문에 무지개색의 줄무늬가 매우 조밀하게 되어 있다.
관측 파장 이상의 변위가 발생하고 있는데, 광역에 걸쳐 변위하고 있기 때문에 주위에서 위상을 쌓아 올리는 언랩(Unwrap) 처리를 해서 관측 파장 이상의 시선 방향 변위로 환산할 수 있다(그림 4 (b)). 결과로부터 단층의 북쪽은 위성에 근접하는(융기 또는 서쪽) 방향으로, 단층의 남쪽은 위성에서 멀어지는(침하 또는 동쪽) 방향으로 50cm 이상의 변위가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 단층의 활동 방향과 상당히 잘 일치하고 있었다.
간섭 SAR 해석의 여러 가지 기법
그림 4의 결과로부터 단층 주변의 변동에 의한 위상차 외에도 규슈(九州) 북부 등 지진의 영향이 없다고 생각되는 영역에서도 위상차가 나온다는 것을 알 수 있다. 이들은 대기 중의 수증기 지연의 영향이나 전리층 영향, 위성의 궤도 오차 등 여러 가지 요소에 의한 노이즈이다.
간섭 SAR 해석에서는 오차를 줄이기 위해 두 시기로 한정하지 않고, 여러 시기의 SAR 데이터를 이용한 기법도 존재한다. 대상이나 넓이, 관측 기간에 따라 적절한 위성과 기법을 조합할 필요가 있다. 주요 기법으로 ‘PSInSAR’, ‘SBAS’ 등이 있으며, 현재도 여러 가지 기법이 제안되고 있다. 여기에서는 주요 기법에 초점을 맞춰 설명한다.
1. PSInSAR
PSInSAR란 Permanent Scatteres Interferometric SAR의 약자이다. Permanent Scatteres란 ‘항구적인 산란점(PS점)’을 의미하며, 인공구조물과 같이 반사의 강도와 위상이 안정된 산란체를 말한다. PSInSAR는 항구적인 산란점을 포함하는 화소만을 이용한다.
고정도의 해석에는 수십 신 이상의 여러 시기의 데이터가 필요한데, 인공구조물의 장기간 미소한 변위를 계측하는 데 적합하다. 개량형으로 SqueeSAR 등의 기법도 제안되고 있다.
2. SBAS
SBAS는 Small Baseline Subset의 약자로, 짧은 수직 기준선 길이 및 짧은 관측 간격의 간섭 SAR 화상을 여러 개 작성, 관측 일시마다의 시계열 변이를 산출하는 기술이다.
수직 기준선 길이란 위성의 궤도 어긋남을 의미하는데, 궤도가 어긋나면 간섭 SAR 해석의 계측 정도가 저하된다. 또한 관측 기간이 긴 것이라도 계측 정도가 저하된다는 것을 알고 있다. 그래서 이들 데이터를 제외함으로써 간섭성 저하의 영향을 최소한으로 억제해 시계열의 변동을 추출할 수 있다.
3. 2.5차원 해석
SAR는 그 관측 원리로부터 위성 시선 방향의 변위만 계측할 수 있다. 또한, 위성 시선 방향은 동서 어느 한쪽으로 40도 정도 기울어져 있다. 그렇기 때문에 계측된 변위가 수직 변위인지, 동서 변위인지를 단일 궤도로부터는 구별할 수 없다.
그래서 2.5차원 해석에서는 동서 양 방향에서 관측한 두 궤도의 데이터를 조합해 벡터 연산에 의해 동서 방향과 수직 방향의 변위를 산출한다. 단, 위성 궤도의 관계로부터 남북 방향의 변위는 감도가 나쁘다.
4. 기타
그 외에도 PSInSAR와 SBAS의 장점을 살린 통합적인 해석 기법이나 다차원 시계열 해석 기법 등 여러 가지 간섭 SAR 해석 기법이 제안되고 있다.
간섭 SAR의 이활용
SAR의 이용은 SAR 위성의 개량과 함께 추진되고 있다. SAR 위성은 세계적으로 운용되고 있는데, 하나의 예로서 일본에서 운용되어 온 SAR 위성의 이름과 운용 기간을 표 1에 나타냈다.
간섭 SAR 해석은 지각 변동을 모니터링하는 대응에 일찍부터 이용되어 왔다. 특히 지진이나 화산에 의한 지각 변동에 처음으로 활용되기 시작됐다.
일본 국토지리원에서는 ‘후요우’가 운용되고 있던 1994년부터 간섭 SAR의 연구 개발이 시작됐다. 2006년도부터 2011년도까지는 육역 관측 기술 위성 ‘다이치’(ALOS), ALOS 운용 종료 후에는 2014년 5월에 발사된 ‘다이치 2호’(ALOS-2)를 주로 이용해 지반 침하·사태에 의한 지반 변동이나 화산 활동에 의한 지각 변동의 감시를 정상적으로 실시하고 있다.
또한, 지진이나 화산 등의 재해가 발생했을 때에는 그 재해 상황의 파악이나 복구 작업에 관한 정보 제공을 하고 있으며, 이러한 해석 결과는 국토지리원 홈페이지에 공개되어 있다.
또한, 광역의 지반 침하 관측에도 많이 이용되어 왔다. 지금까지 국가나 지방공공단체는 수준 측량에 의해 지반 침하를 감시해 왔는데, 비용이나 인원 확보 등의 과제가 있었다. 이것을 반영해 환경성에서는 지반 침하 대책에 대응하는 지방공공단체의 감시 체제의 유지·향상에 도움이 되도록 ‘지반 침하 관측 등의 위성 활용 매뉴얼’을 2017년 5월에 발표했다. 매뉴얼의 기법에 의해 실제로 간섭 SAR 해석을 지반 침하 감시에 도입한 자치체도 나오기 시작했다.
최근에는 해석에 사용할 수 있는 SAR 위성이 더욱 증가하고, SBAS 등의 시계열 해석 기술이 발전함에 따라 오차나 노이즈를 줄일 수 있게 되어 많은 분야에 활용이 시도되고 있다. 대상도 보다 좁은 범위나 특정 변동에 대한 응용이 증가하고 있다.
예를 들면 댐에서는 ‘하천 관리 시설 등 구조령’ 제13조에서 제방 높이 50m 미만의 중력식 콘크리트 댐 이외에 모든 댐에서 변위 계측이 의무화되어 있으며, 국토교통성 소관 댐에서는 지금까지 순시나 각종 센서에 의해 이루어져 왔다.
그림 5는 록필 댐(rock-fill dam)의 검토 사례이다. 동 댐에서는 막 축조된 직후인 2006년 12월 이후부터 GNSS에 의한 변위 계측이 실시됐으며, 약 4년에 최대 114mm의 변형이 계측됐다. 2006년 12월부터 2010년 12월까지의 4년간에 걸쳐 관측된 SAR 데이터를 이용해 둑몸의 변위 계측을 한 결과, 가장 침하되기 쉬운 둑몸 중앙부의 변위가 가장 크고, 좌우 기슭부를 향할수록 변위가 작아지고 있는 것을 검출할 수 있었다.
그림 6은 PSInSAR에 의해 검출된 도시 지역의 지반 침하이다. 도시 지역의 개발공사 등에 의한 변위나 성토 매립지의 침하 등 모니터링 요청은 많이 존재한다. 오늘날에는 이러한 도시 지역의 지반 침하 서비스도 확대되고 있다.
그림 7은 ALOS-2에 의한 경사면 변동 해석 결과이다. 연간 수 cm 이상의 변동이 검출되고 있으며, 현지 조사의 결과와 일치한다고 보고되어 있다. 산지의 사태 변동은 지금까지는 계측기기를 설치하지 않으면 검출할 수 없었지만, 간섭 SAR 해석을 이용하면 기기가 설치되어 있지 않은 범위에서도 변동을 계측할 수 있다는 것을 알 수 있다.
위성 SAR에 의한 변위 계측의 미래
지금까지 소개했듯이 위성 SAR에 의한 변위 계측 기술은 여러 가지 응용이 추진되고 있다. 앞으로도 일본의 ALOS-4 발사나 세계 각국의 SAR 위성 발사가 계획되어 있으며, 또한 데이터를 쉽게 입수할 수 있게 돼 활용 영역이 더욱 확대될 것으로 기대되는 기술이다.
스즈키 타로, 국제항업주식회사
