DInSAR 기법으로 관측된 변위를 이용한 빙하의 속도 , 두께 , 전단응력 추정

1. DInSAR 기법으로 관측된 변위를 이용한 빙하의 속도, 두께, 전단응력 추정 한향선, 이훈열 강원대학교 지구물리학과 hyangsun@kangwon.ac.kr

2. 강원대학교 지구물리학과 주요 연구 내용 • 서남극 Canisteo 반도의 Chavez 빙하가 촬영된 2쌍의 ERS-1/2 Tandem pair 획득 • 각각의 영상 pair로부터 간섭도 생성 및 4-pass DInSAR 수행 • 위상차분간섭도로부터 레이더 방향에 대한 빙하의 표면 변위 추출 • 빙하 흐름 방향으로의 속도 계산 및 경험식을 이용한 빙하의 두께와 전단응력 추정 • 연구 결과 및 결론, 연구의 한계점, 향후 연구 토의

3. 강원대학교 지구물리학과 서남극 빙하 연구의 중요성 • 서남극 빙하 • Pine Islands 빙하, Thwaites 빙하, Smith 빙하, Chavez 빙하 등 다수 분포 • Greenland 빙상과 함께 대표적인 빙체의 감소 지역 • 해수면 상승의 가장 큰 원인으로 지속적인 모니터링 필요 • 빙하 모니터링의 주요 관점 • 극지의 지역적, 환경적 특성을 고려하여 원격탐사 기법 적용 • 태양고도 및 기후 조건에 관계없이 영상 취득이 가능한 SAR 영상 활용 • DInSAR 기법을 적용한 빙하의 흐름 속도와 후퇴 양상 관찰 • 빙하의 두께, 응력상태와 같은 물리적 특성 분석 필요

4. 강원대학교 지구물리학과 연구 지역 Range 서남극 Canisteo 반도의 CHAVEZ Glacier Center Location : 73˚57´46˝S / 101˚53´26˝W 총 길이: 15.3 km 폭: 약 3.5 km Streamline의 끝 부분은 정착빙과 인접한 Outlet Glacier Crevasse가 일부 관찰됨 Streamline의 끝에서 ice calving 발생 Azimuth CHAVEZ GLACIER Pine Island Glacier Cosgrove Ice Shelf Canisteo Peninsula Amundsen Sea ERS-1 SAR image of the study area (1995/10/21, 100 km×100 km)

5. Range Range Range Range Azimuth Azimuth Azimuth Azimuth ERS-1 SAR 1995/10/21 ERS-2 SAR 1995/10/22 ERS-1 SAR 1996/3/09 ERS-2 SAR 1996/3/10 강원대학교 지구물리학과 연구자료 – ERS-1/2 Tandem Pair Track: 278 Orbit(ERS-1/2): 22310/2637 눈과 얼음이 녹기 시작하는 봄철 영상 빙하의 표면 이동이 가속화되기 시작 Perpendicular baseline: 40.0 m Height ambiguity: 243.2 m Track: 278 Orbit(ERS-1/2): 24314/4641 해빙이 모두 녹는 여름철 영상 빙하의 표면에서 큰 변화 발생 Perpendicular baseline: 152.4 m Height ambiguity: 63.9 m

6. 강원대학교 지구물리학과 빙하 흐름 연구 방법 • GPS를 이용하는 방법 • 접근성이 용이한 중위도 지역 빙하 연구에 사용 • 현장에서 정밀한 흐름 관측이 가능 • 점(point) 자료이므로 넓은 지역을 관찰하기에는 부적합 • SAR 영상을 이용하는 방법 • InSAR 기법의 적용을 통한 변위 추출 • 극지방에 대한 접근성의 한계 극복 • 넓은 지역에 대한 2차원적 변위 map 추출 가능 • 높은 정밀도의 결과 산출

7. 강원대학교 지구물리학과 InSAR Technique • SAR Interferometry (InSAR) • 동일한 지역이 촬영된 2장 이상의 SAR 영상 필요 • 2장 이상의 SAR 영상으로부터 위상의 차이 추출 • 간섭도(interferogram)를 생성하여 지표의 고도 및 표면의 변화 측정 • Differential SAR Interferometry (DInSAR) • InSAR 기법으로 추출한 위상차에는 고도변화 및 지표면 변위가 모두 포함 • 간섭도에서 지형 효과에 의한 phase를 제거함으로써 지표의 변위만을 추출 • 2-pass, 3-pass, 4-pass DInSAR 기법 이용 • 지진/화산 활동에 의한 지표 변화, 지반침하, 빙하의 흐름 관측에 유용

8. 강원대학교 지구물리학과 4-pass DInSAR Technique • 2-pass DInSAR • 2장의 SAR 영상으로 적용 가능 • 연구지역의 간섭도와 정밀한 DEM 요구 • 남극의 경우 Radarsat-1 Mapping Project DEM (RAMP)이 최적 • 해안 지역에서 400 m의 수평 해상도를 가지므로 Outlet glacier 관측에는 부적합 • 4-pass DInSAR • 연구지역의 DEM이 요구되지 않음 • 연구지역에 대한 2쌍의 SAR 영상 필요 • 표면 변화에 의한 위상을 포함하는 간섭도(diff-pair)로부터 지표 고도에 의한 위상만을 나타내는 간섭도(topo-pair)를 차분 –지표면 변위만 추출

9. Range Range Azimuth Azimuth 강원대학교 지구물리학과 Diff-pairand Diff-pair Interferogram Earth-flattened interferogram (1995/10/21-22) Earth-flattened interferogram (1996/3/9-10)

10. 강원대학교 지구물리학과 Differential Interferogram Earth-flattened differential interferogram (wrapped) 고도 효과에 의한 위상은 대부분 제거되고 표면 변위에 의한 위상만 남음 빙하와 해빙의 표면에서 변위에 기인하는 fringe가 관찰됨 Range Azimuth A A’

11. 강원대학교 지구물리학과 Displacement Map Displacement along the line of sight Branch-cut algorithm을 이용하여 절대위상 복원 (phase unwrapping) LOS (line of sight) 방향의 displacement 추출 (+): 센서 방향으로 가까워지는 변위 (–): 센서에서 멀어지는 변위 Range Azimuth A displacement (m) A’ -0.17 0.17

12. 강원대학교 지구물리학과 빙하 흐름 속도 추출 • Flow direction velocity (vf) • LOS 방향의 변위(ξ) 추출 • 레이더의 look angle(θ), 빙하의 경사각(α), look angle과 빙하 streamline 사이의 각(β) 사용

13. 강원대학교 지구물리학과 빙하 흐름 속도와 변형률 최대 0.58 m/day 평균 0.40 m/day 최대 0.04 /day 평균 0.03 /day A A’

14. 강원대학교 지구물리학과 빙하 두께와 기저면의 전단응력 추정 • 빙하 두께 (H) • 빙하의 표면속도와 관계됨 • Glen의 flow law에 의해 계산 • 전단응력 (τb) • 빙하의 두께와 관계 • 두께 경험식 적용 조건 • 빙하의 기저면은 안정적 • Streamline에서 최대 변위 • 측면의 속도 및 변위는 무시

15. 강원대학교 지구물리학과 빙하 두께와 기저면의 전단응력 추정 • 빙하 경사각 α의 영향 • 일정 속도에서 경험식에 의한 빙하의 두께와 전단응력은 빙하의 경사각에 의존 • Outlet glacier는 지역에 따라 경사각의 변화가 크지 않음 • 일반적으로 calving이 일어나는 streamline의 끝 부분에서 최대 경사각 • Streamline의 중간 부분에서 최소 경사각 (평균 경사각과 거의 같음) • α의 오차범위 설정 • 정확한 DEM이 없고, topo-pair 간섭도에 변위에 의한 위상이 포함될 수 있으므로 local slope angle을 직접 구할 수 없음 • 평균 경사각을 기준으로 -0.5°~ 1.0°적용

16. α=2.3° α=1.8° α=3.3° 강원대학교 지구물리학과 빙하 두께와 기저면의 전단응력 A A’

17. 강원대학교 지구물리학과 빙하 두께와 기저면의 전단응력 추정 • 빙하 두께 • 경사각이 클수록 얇은 두께 계산 • 빙하가 시작되는 지점에서 평균 경사각에 의한 빙하의 두께는 약 945 m • 평균 경사각에 의한 빙하의 추정된 두께는 평균 1,048 m • Streamline의 끝에서 최대 경사각에 의해 추정된 두께는 약 890 m • 경사각 변화에 의한 오차범위는 약 ±200 m • 기저면의 전단응력 • 경사각이 클수록 큰 전단응력 계산 • 빙하의 시작 지점에서 약 0.33 MPa • 평균 경사각에 의해 추정된 전단응력은 평균 0.37 MPa • 빙하의 종료부에서 최대 경사각에 의한 전단응력은 0.45 Mpa • 오차범위는 약 -0.04~0.02 MPa

18. 강원대학교 지구물리학과 토의 및 결론 • 서남극 Canisteo 반도의 Chavez 빙하에 대해 4-pass DInSAR를 적용하여 표면 변위 추출 • 레이더의 입사각과 빙하의 경사각, 빙하가 흐르는 방향을 고려하여 흐름 방향으로의 표면 이동 속도(평균 0.40 m/day)를 계산하였으며, 1년 동안 최대 211 m가 이동할 수 있음을 예측 • 계산된 표면 속도를 Glen의 flow law에 적용하여 빙하의 두께와 기저면의 전단응력이 각각 평균 945 m와 0.37 MPa임을 추정 • 빙하의 두께와 전단응력은 경사각에 따라 달라지므로 streamline의 구간 별로 정확한 경사각을 구할 수 있는 DEM이 요구됨

19. 강원대학교 지구물리학과 연구의 한계점 및 향후 연구 내용 • 연구의 한계점 • 경험식을 바탕으로 추정된 빙하의 두께와 전단응력에 대해 검증 가능한 현장 물리탐사 자료 부재 • 빙하의 표면에서 변위가 발생하지 않는 시기에는 경험식의 적용이 불가능 • 향후 연구 • Chavez 빙하와 인접한 해빙의 표면에서 빙하와 연결된 연속적인 변위 관찰 • 해빙의 변위를 평면변형률 문제와 같은 공학적인 방법으로 해석하여 해빙의 응력 분석 • 해빙의 응력상태를 빙하와 연계 분석하여 빙하의 물리적 성질 추정

20. 감사합니다.