Transcript SAR를 이용한 해풍, 파랑, 해류 추출 기법 연구

SAR 영상자료를 이용한
해양 파라미터 추출 기법 연구
강문경* · 이훈열 (강원대학교 지구물리학과)
박용욱 (쓰리지코어)
이문진 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소)
목차
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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
결론
연구 목적


SAR 기술:
대기나 기상상태에 따른 제약점 없고, 낮/밤의 영향 받지 않음.
해양의 해풍(wind), 파랑(wave), 해류(current)와 같은 해양 현상에 대
하여 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
Methods

Wind
Wave (k )
Current
Wind Retrieval
Models
Wave-SAR
Transform
Inter-look
Cross-Spectra
Doppler Shift
Dual-Beam ATI
Magnitude
○
○
○
△
LOS only
○
Direction
×
(Wind streak)
△
180° ambiguity
○
△
LOS only
○
Spatial
Resolution
10 m
SAR Resolution
2 km
SAR Imagette
2 km
SAR Imagette
2 km
SAR Imagette
10 m
SAR resolution
Major Limit
A priori
wind direction
required
wind + current
decomposition
New system
Values
Azimuth cutoff, strongly nonlinear
SAR Ocean Processor (SOP)
Raw Data
SAR Focusing
Az FFT
(Imagette)
SLC
Az FFT, Beam Split, Az iFFT, Detect
Doppler Shift
Shift Detection
Surface
Velocity
l1
l2
l3
l4
2D-FFT
(Imagette)
2D-FFT
(Imagette)
2D-FFT
(Imagette)
2D-FFT
(Imagette)
L1L3*
L2L4*
Cross
Spectrum
Cross
Spectrum
Avg
Multi-Look
(4 Looks)
2D FFT
(Imagette)
Avg
Inter-Look
Cross Spectra
SAR Wave
Spectrum
Inversion
Solve 180°
Ambiguity
Ocean Wave
Spectrum
CMOD
Wind
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





Wave




Backscattering Coefficient (Sigma_naught, dB)
CMOD_4 Wind Speed (m/s)
CMOD_IFR2 Wind Speed (m/s)
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)
Wind: CMOD4, CMOD_IFR2 모델



The CMOD_4 wind retrieval model:
The most commonly used and applied successfully for wind speed retrieval from VVpolarized 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
8
CMOD4_Bragg
7
CMOD4_Unal



6
wind speed [m/s]

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
CMOD4_Krichhoff
CMOD4_Elfouhaily
5
4
3
2
1
0
-30
-25
-20
-15
-10
sigma-naught [dB]
-5
0
-5
0
16
CMOD_IFR2_Bragg
14
CMOD_IFR2_Unal
12
wind speed [m/s]

10
CMOD_IFR2_Krichhoff
CMOD_IFR2_Elfouhaily
8
6
4
2
GCP 보정 전 영상
0
-30
-25
-20
-15
-10
sigma-naught [dB]
Wave: Inter-Look Cross-Spectra

Inter-look Cross-Spectra





Real part : symmetric
Imaginary part : antisymmetric
information on the wave
propagation direction:
positive value of imaginary
part
SAR Spectrum
Cross-Spectrum (Amplitude)
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)
 GCP 보정 전 영상자료
Wave 파장과 방향

Radarsat-1 영상 자료


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
1999년 11월 15일(A)
1999년 11월 25일(B)
1999년 12월 19일(C)
(B)
(A), (B), (C) 2D-FFT 결과




동일지역: 제주도 근해
파랑(너울)의 발달 정도
Radarsat-1 영상 취득 날짜


(A)
256×256 imagette size region
파수 벡터 -> 해파의 파장 산출
파랑의 진행 방향 -> 180° ambiguity
180°ambiguity 발생
→ inter look cross-spectra로 해결
(C)
RADARSAT-1 영상자료의
Wave 결과와 AWS 자료
영상 취득 날짜
1999년
11월 15일 (A)
1999년
11월 25일 (B)
1999년
12월 19일 (C)
측정풍향
281 °
(±4°)
286 °
(±10°)
281 °
(±1°)
측정파장
94.5 m
(±14 m)
99.5 m
(±28 m)
156 m
(±8 m)
평균풍향
285 °
277 °
280 °
지속시간
2일 정도
1일 이하
7일 이상
평균풍속
9㎧
11 ㎧
7㎧
측정값
파랑자료
(위성영상분석)
바람자료
(AWS)
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

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

Current speed: ~ 1.2 m
Current direction: 주로 왼쪽 방향
을 나타냄
시야방향(LOS)에 대한 정보 추출
의 한계성 보임
이동방향 -> 전체적으로 예측 조류
도와 부합된 결과
결론

SOP (SAR Ocean Processor) 프로세서 개발

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SOP 프로세서 수행결과
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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 있도
록 설계하였다.
한반도 연안 지역 적용
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SAR 영상에서 해풍(wind), 파랑(wave), 해류(current) 정보 추출을 위한 종합적인 프로세서
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