1. 서 론
2. 합성구경개구레이더 간섭기법(Synthetic Aperture Radar Interferometry)
2.1 개요
2.2 InSAR 기법의 기본 이론
2.3 D-InSAR, PS-InSAR, SBAS-InSAR 기법
3. 연구대상 지역, SAR 영상 획득 및 자료처리
3.1. 연구대상 지역 – 인천국제공항
3.2. SAR 영상 자료 및 자료 처리
3.3. 데이터 프로세싱 및 영상 처리
4. 결과 분석
4.1 평균 지반침하 속도 및 누적 지반침하
4.2 지점별 시계열 지반침하
5. 결 론
1. 서 론
최근 들어 도심지 지반침하(함몰) 사례가 잇따르면서 재해 방지 차원에서의 지반침하 모니터링, 예측 및 평가, 그리고 대책 마련에 대한 필요성이 꾸준히 대두되고 있다. 도심지 지반침하의 원인으로는 상하수도 관로의 노후화 혹은 관로 손상으로 인한 누수 및 토사 유출, 그리고 인접 지하 터파기 및 터널굴착 등 지하건설공사로 인한 지반침하 등이 주된 원인으로 간주된다. 도심지에서의 이들 원인으로 인한 지반침하는 장기간에 걸쳐 발생한다는 특징이 있으며 따라서 대상 지역에서 지속적인 지반침하 모니터링이 이루어지면 지반침하로 인한 피해를 사전에 방지 혹은 최소화할 수 있다. 다만 지반침하는 광범위한 지역에서 발생하며 특히 상하수도 관로 파손으로 인한 토사 유출로 인한 지반침하의 경우 전통적인 지반침하 계측 방법으로 사전에 지반침하 위험지역을 사전에 파악하여 지속적으로 모니터링을 하는데 에는 한계가 있다.
유럽에서는 합성개구레이다로 불리는 SAR 위성에서 촬영한 영상 이미지를 분석하여 지구표면을 관측하는 기술을 개발하여 다양한 분야에 적용하고 있다. 즉, 유럽연합은 Copernicus 라고 하는 유럽연합 지구관측 프로그램(https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/ Copernicus)을 운영하면서 유럽 연합 국가에서 운영하는 Sentinel-1, 2, 3, 위성 영상 자료를 산사태, 홍수재해, 해양환경 오염 등 관련 재해저감을 위한 기본 자료로 활용하고 있다. 더 나아가 유럽우주국(European Space Agency, ESA)은 SAR 영상 분석 기술을 지속적으로 개발하고 오픈소스화 하여 일반 연구자가 자유롭게 활용할 수 있도록 하고 있어 SAR 영상을 이용한 지표변위 관측은 일반화되어 가고 있는 실정이다.
1990년대 초에 유럽에서 InSAR 기법이 정립된 후 Ferretti et al.(2000, 2001), Colesanti et al.(2002) 등의 연구자들이 다중시기 시계열 SAR 영상 분석 기법(MT-InSAR) 기법을 개발·적용한 이래 InSAR는 다양한 분야에 적용되고 있다. 즉 Barla et al.(2016)은 지반조건이 열악한 지역에 단선 터널 시공으로 발생하는 지반침하 모니터링 및 대단면 터널 시공으로 인한 사면거동 모니터링에 COSMO-SkyMed 영상을 활용한 InSAR(SqueeSAR®)를 적용하여 그 가능성을 확인하였으며 Roccheggiani et al.(2019)은 이태리 Genoa 지역의 터널시공의 지반침하 모니터링에 Sentinel 영상을 이용하여 InSAR를 적용하여 한 바 있다. 더 나아가 Milillo et al.(2018, 2019)은 InSAR 기법을 이용하여 터널 굴착으로 발생한 지반침하로 인한 주변 구조물 손상평가에 관한 연구를 수행하여 InSAR에 기반한 지반침하 모니터링을 구조물 손상평가에 연계하는 방안을 제시하였다. 아울러 Bischoff et al.(2020)은 TerraSAR-X 영상을 이용한 InSAR 프로세싱(SqueeSAR®)을 통해 런던지역에서 수행된 터널현장 상부 지반침하가 인접지역에 위치하는 건물 및 경기장, 교량 등의 사회기간시설에 미치는 영향을 분석하였으며 Macchiarulo et al.(2021) 등은 COSMO-SkyMed 영상을 활용한 InSAR 프로세싱을 통해 런던지역의 터널굴착으로 인한 주변 건물 손상평가 기법을 제시하였다. 아울러 Esposito et al.(2021)은 Sentinel-1 및 COSMO-SkyMed 영상에 대한 InSAR 프로세싱을 통해 로마지역의 싱크홀 탐지 및 모니터링 기법을 제시한 바 있으며 Talib et al.(2022) 등은 TerraSAR-X 영상을 이용한 InSAR 프로세싱을 통해 미국 서부 플로리다 지역의 싱크홀 관측 모니터링에 적용하여 InSAR 기법의 싱크홀 탐지 및 침하 모니터링 분야의 적용성을 확인한 바 있다. 한편, Zhang et al.(2019)은 중국의 양츠강 주변 지역에서 발생하고 있는 지반침하 원인분석에 InSAR를 적용하여 지반침하의 원인으로 압밀침하를 확인하고 향후 발생가능한 압밀침하 예측에 확장한 바 있으며 및 Zhuo et al.(2020)는 중국의 준설지역에 건설되어 압밀침하가 이슈가 되고 있는 Xiamen Xiang’an 신공항 지반침하 분석에 있어 Sentinel-1 영상에 InSAR를 적용하여 압밀침하와 신공항 기간시설 안정성과의 상관관계를 분석한 바 있다.
InSAR 관련 국내 연구는 아직은 그다지 활발하지 않은 실정이다. 대표적인 연구를 살펴보면 Kim(2016)은 대전지역을 대상으로 ALOS-1 PALSAR 영상을 활용하여 두 가지 InSAR 프로세싱 기법(PS-InSAR, SqueeSAR®)을 상호 비교한 바 있으며 Kim et al.(2017)은 고속철도 호남선 구간의 지반침하 측정에 D-InSAR 기법을 적용하여 향후 InSAR 적용방향을 제시한 바 있다. 이후 Baek et al.(2019)은 서울 난지도매립지에 건설된 월드컵 공원의 침하 모니터링을 위해 ALOS PALSAR 및 TerraSAR-X영상을 SBAS-InSAR 기법으로 프로세싱하고 현장 실측결과와의 비교 연구를 통해 InSAR 적용성 연구를 수행한 바 있으며 Jung et al.(2019)은 전라남도 무안군과 압해도를 연결하는 김대중교의 변위 모니터링에 Sentinel-1 SAR 및 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용한 PS-InSAR 기법을 적용하고 InSAR 기법의 교량 변위 모니터링의 적용성을 검토한 바 있다. 이후 Ramirez et al.(2020)은 SNAP-StaMPS 프로세싱에 기반한 PS-InSAR 기법을 토대로 우리나라 전역에서 터널굴착, 지진, 사면불안정 등으로 지반침하/변위가 발생한 현장에 적용하고 InSAR 기반의 지반 모니터링 기법의 적용성을 포괄적으로 검토한 바 있다. 우리 나라는 KOMPsat-5(아리랑 5호)을 성공적으로 발사하여 운용한 이래 금년 혹은 내년에 KOMPsat-6(아리랑 6호) 위성을 추가로 발사할 예정으로 있어 SAR 영상에 대한 접근이 보다 용이해질 것으로 예상되며 따라서 InSAR 위성 관측기술을 지반 변위 측정에 응용할 수 있는 기반이 조성될 수 있을 것으로 전망하고 있다.
본 연구에서는 InSAR 기법의 사회 기간시설 지반침하 모니터링 적용성 분석을 위해 인천국제공항을 연구 대상지역으로 선정하고 관련 SAR 영상을 취득하여 SBAS-InSAR 및 PS-InSAR 기법에 근거한 시계열 침하 모니터링을 수행하였다. 즉, 2014년 10월부터~2022년 9월 사이에 촬영된 경기(인천) 및 서울지역을 커버하는 Sentinel-1 SAR 영상을 획득하고 상용 소프트웨어, ENVI® SARscape 5.6.2를 활용하여 InSAR 기법의 도심지 침하 및 인프라 침하 모니터링에 구체적인 적용 가능성 여부를 평가하였다. 검토 결과 SAR 영상을 이용한 시계열 간섭기법은 SAR 위성이 일정한 시간 간격으로 한반도의 영상을 제공하므로 두 연구 대상지역에서 장기간에 걸쳐 발생한 지반침하를 모니터링하는데 효율적으로 적용할 수 있는 것으로 검토되었으며 아울러 InSAR 기법은 기존의 계측 방법의 대안으로서 4차 산업 기술 기반의 광역대 도심지 지반침하 모니터링 기술 발전시킬 수 있는 것으로 평가되었다. 본 논문에서는 InSAR에 대한 기본 이론 및 연구대상 지역 및 적용 결과를 상세히 기술하였다.
2. 합성구경개구레이더 간섭기법(Synthetic Aperture Radar Interferometry)
2.1 개요
SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상은 레이더 센서가 장착된 위성에서 레이더 신호를 지구에 송출하여 반사된 신호를 이용하여 제작된다. 특히, 야간이나 구름, 먼지 및 연기 등이 있어도 촬영이 가능하여 SAR 위성을 사용할 경우 광량과 기상조건에 영향을 받지 않고 레이다 영상 자료 획득이 가능하므로 전 지구적 위성영상을 시공간에 제약을 받지 않고 얻을 수 있다는 장점이 있다. 현재 많은 수의 궤도 SAR 위성이 운영되고 있으며 최근 들어 무료로 사용 가능한 SAR 영상 자료의 범위가 늘고 있어 접근성 향상으로 인해 재해 대응, 도시 개발 및 토지 이용, 농업, 육지와 바다에 걸친 탐지 및 모니터링 등 광범위한 분야의 문제를 해결하는 데 적극 활용되고 있다. Fig. 1에서와 같이 SAR 위성이 지구를 공전할 시 북극에서 남극을 향하는 궤도를 하강궤도(descending orbit) 그리고 남극에서 북극을 향하는 궤도를 상승궤도(ascending orbit)이라 칭하며 따라서 결과적으로 같은 지역에 대해서 상승궤도 영상과 하강궤도 영상이 존재한다.
Fig. 2는 SAR 위성 운영 현황을 보여주고 있는데 우리나라를 비롯하여 유럽 및 북미, 일본에서 SAR 위성을 운영하고 있으며 우리나라에서는 2013년부터 SAR 센서가 탑재된 KOMPsat-5(아리랑 5호)가 운영되고 있으나 재방문주기(revisit time)가 28일로 길어 정밀한 지표 변위 모니터링에 적용하기에는 다소 미흡하다는 단점이 있다. 앞서 언급한 바와 같이 금년(2022년) 혹은 익년에 발사 예정인 아리랑 6호 위성은 재방문주기가 11일로 비교적 짧아 지반침하 모니터링 용도로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
2.2 InSAR 기법의 기본 이론
SAR 레이더 영상 신호는 진폭(amplitude)과 위상(phase)으로 특징 지어지는데 진폭은 후방 산란된 신호의 에너지와 관련이 있으며 강재 등과 같이 매우 높은 반발성을 갖는 강체로부터 산란된 신호는 높은 진폭을 가지고 있다. 한편, 위상은 센서와 반사체의 거리와 관련이 있다. 이러한 레이더 신호의 특성은 간섭계(interferometric) 적용에 있어서 변위를 계산하는데 사용된다.
InSAR로 약칭되는 합성 개구 레이더 간섭기법(Interferometric Synthetic Aperture Radar)은 원격 탐사에 사용되는 레이더 기술로서(Ferretti et al., 2001; Hanssen 2001; Kampes, 2006; Ketelaar, 2009) 두 개 이상의 SAR 영상 이미지의 위상(phase) 차이를 이용하여 지표 변위 또는 디지털 고도 지도(digital elevation map)를 생성하는 기술로 정의된다(Fig. 3).
방법론적인 측면에서 살펴보면 위성센서로부터 방출되는 신호의 관측점까지 왕복 경로 거리는 파장 싸이클의 수에 파장의 길이를 더한 값이 되므로 수신된 신호의 위상으로 지구 관측점까지의 거리를 역산할 수 있다. 이때 위상차(Δφ)는 식 (1)과 같이 표현된다. 만일 지표 변위가 발생할 경우 센서와 관측지점간의 거리가 변하므로 센서에 의해 기록되는 위상 값 또한 영향을 받게 된다.
여기서 λ=신호의 파장, ΔR=가시선의 변위, 그리고 α=두 레이더 신호 획득시점에서 기상 상황의 차이로 인한 위상차이다. 위상차는 다양한 원인으로 발생하며 구체적인 수식으로 표현하면 식 (2)와 같이 표현된다.
여기서 Δφearth curvature=지구형 곡률에 의한 위상차, Δφtopography=지형고도에 의한 위상차, Δφdisplacement지표변위로 인한 위상차, Δφatmosphere=대기 굴절에 의한 위상차, Δφsystem error=장비 및 자료처리 오류로 인한 위상차.
InSAR 프로세싱에서는 식 (2)에서 지표변위로 인한 위상차를 도출하기 위해 다음 과정을 거치게 된다. 즉, 먼저 두 장의 SAR 영상 이미지를 획득한 후 두 진폭 이미지 사이에 존재하는 지오메트리에서의 오프셋과 차이를 찾는 중합 절차(correlation procedure)를 거쳐 두 이미지를 중합(co-register) 한다. 이후 하나의 SAR 이미지가 다른 이미지의 지오메트리와 일치하도록 다시 샘플링하며 이때, 외부에서 가져온 수치 표고 모형(Digital Elevation Model, DEM)을 기저선 데이터로 활용하여 지형으로 인한 간섭 위상을 제거한다. 이때 두 이미지의 각 픽셀에 동일한 좌표를 부여하는 Back Geocoding을 수행하고 “flattening”이라고 불리는 평탄화 과정을 통해 지구의 곡률로 인한 간섭 위상을 제거한 후 두 이미지의 각 픽셀을 교차 곱하여 간섭영상(interferogram)을 생성한다. 간섭영상 생성시에는 Adaptive Power-Spectrum 필터링 기법을 이용하여 위상 신호를 증폭하는데 대부분의 경우 간섭영상에 나타나는 인접한 프린지(fringe)는 로 표현되는 위상을 고려하여 보간 하는 과정을 거쳐 충분한 긴밀도(coherence)를 갖는 지역에 대해 실제 연속적인 변위장으로 표현된다. 최종적으로, 영상 획득시 위성의 공전 방향을 고려하고 실제 지리적 투영 조건으로 픽셀을 다시 샘플링 하는 ‘Geocoding’ 단계를 거쳐 지표 변위를 추출하게 된다. Fig. 4는 InSAR 프로세싱 과정을 도식적으로 보여주고 있다.
InSAR 기법은 원천적으로 다소의 한계성을 가지고 있다. 예를 들어 긴밀도(coherence)는 두 개 사이의 지상 표지 레이더 응답의 유사도를 의미하는데 사막이나 도시 지역에서는 높은 수준의 긴밀도를 얻을 수 있으나 농촌 지역의 초목, 설상 등이 지역에서는 높은 긴밀도를 얻는 것이 매우 어렵기 때문에 결과의 신뢰도가 다소 떨어진다고 할 수 있다. 이러한 경우에는 짧은 시간 간격의 영상들을 사용하는 것이 가장 좋은 방법이라고 할 수 있다. 한편 InSAR 기법이 감지할 수 있는 변형의 크기와 공간 범위는 데이터의 시간적 및 공간적 해상도와 변형의 크기 및 정도에 따라 달라지는데 짧은 시간 간격의 영상을 사용할 경우 변형의 크기가 작아지면 위상 구배가 작아지고 위상의 unwrapping이 수월 해진다. 따라서 위상 구배를 가능한 한 낮게 유지하여 높은 시간 및 공간 해상도 갖도록 하는 것이 중요하다.
2.3 D-InSAR, PS-InSAR, SBAS-InSAR 기법
InSAR 기법은 크게 D-InSAR, PSInSAR, SBAS-InSAR 등으로 구분된다. D-InSAR는 차등간섭기법(Differential SAR Interferometry)으로 불리며 주로 지표의 상대변위 혹은 변형에 대한 관측 목적으로 다른 시간대에 촬영된 두 개의 SAR 영상을 활용하는 기법으로서 지진 등 하나의 이벤트가 발생시킨 지표 변형을 관측하는데 용이하게 활용된다. 다만, D-InSAR 기술은 레이더 전파 신호에 대기의 영향이 미칠 경우 실제 존재하지 않는 인공물(artifacts)이 생성되게 되게 되므로 이미지 프로세싱 과정에서 인공물이 제대로 제거되지 않으면 정확도가 저하된다는 제한 사항이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 고정 산란체 분석법[Persistent Scatterers Interferometry, PS-InSAR(Ferretti et al., 2000)이 개발되었다. PS-InSAR는 다수의 SAR 영상을 처리하는 과정에서 궤도오차를 보정하고 대기환경으로 인한 노이즈를 필터링하는 과정을 통해 긴밀도가 높은 산란체 만을 프로세싱하여 정확도를 높일 수 있다는 장점과 아울러 고정 산란체에 대한 시계열 변위(time series displacement)를 획득할 수 있다는 장점이 있다.
SBAS(Small Baseline Subset)-InSAR 기법(Berardino et al., 2002; Lanari et al., 2004)은 D-InSAR 기법에서 파생된 PS-InSAR 기법이 지닌 공간적 비상관화를 극복하기 위해 개발된 다중 주영상 InSAR 시계열 분석 방법으로서 시공간 기선이 작은 차분간섭영상 쌍을 활용함으로써 단일 슈퍼 주영상에 의해 발생한 긴밀도가 낮은 일부 간섭영상을 처리할 수 있으며 PS-InSAR에 비해 필요한 SAR 이미지의 양을 줄일 수 있다는 장점이 있어 지반 침하 관측에 널리 적용되고 있다(Li and Xu(2022). 구체적인 InSAR 기법의 이론적 배경은 Moreira et al.(2013)를 참조하기 바란다.
본 연구에서는 터널 혹은 지하굴착, 싱크홀 등 지반침하가 서서히 발생하는 경우 SAR 영상을 이용하여 시계열 지표 변위 추출에 효율적 적용할 수 있는 PS-InSAR 및 SBAS-InSAR를 적용하였다.
3. 연구대상 지역, SAR 영상 획득 및 자료처리
3.1. 연구대상 지역 – 인천국제공항
본 연구에서는 Fig. 5에서와 같이 영종도 인천공항을 연구 대상 지역으로 선정하여 InSAR 기법을 토대로한 지반침하 시계열 분석을 실시하였다. Fig. 6과 Table 1은 각각 연구대상 지역의 위치도와 지역적 위치 특성을 정리하고 있다.
지역적 특성을 기술하면 인천국제공항 지역은 1992년 11월 1단계 부지조성공사를 통해 영종도와 용유도 사이 바다를 매립하여 조성되었으며 전체 부지면적 5천619만8천600 중 해상 면적은 82%에 달하여 4천600만 을 차지하며 활주로, 계류장, 관제탑 등 주요시설들은 모두 해상 부분에 위치하도록 설계되었다. 일본 간사이 공항이 건설 후 11m의 침하가 발생한데 비해 인천공항은 200만대 이상의 비행 동체가 이착륙 하였음에도 불구하고 2020년 2월까지 누적 침하량은 0.04~2.9cm에 불과한 것으로 보고되고 있다.
Table 1.
Location of study area
| Study area | Latitude (°) | Longitude (°) | Area (km2) | ||
| maximum | minimum | maximum | minimum | ||
| Incheon Int’l Airport | 37.508164 | 37.421835 | 126.491764 | 126.392061 | 42.77 |
인천공항은 1~3단계 사업을 거쳐 2018년부터 4단계 확장 사업을 실시하고 있다. 인천공항 4단계 건설사업은 4조 8,405억 원이 투입되는 국내 최대 규모의 인프라 확장사업으로 제2여객터미널 확장을 비롯해 제4활주로 신설, 제2여객터미널 접근도로 신설, 계류장 신설 등이 추진되며 사업기간은 2024년 10월까지로 예정되어 있다(Fig. 7). 이 중 제4활주로와 일부 계류장 확장 건설은 2021년 6월 17일 모두 완공하여 개통하였다. 대부분의 사업구간에서 연약지반처리가 선행된 후 본 공정이 시작되어 준공 후 발생하는 침하는 연약지반 개량과 관계가 있을 것으로 추정할 수 있다.
3.2. SAR 영상 자료 및 자료 처리
InSAR 프로세싱에 필요한 SAR 영상 자료는 유럽우주국(European Space Agency, ESA)이 운영하는 Copernicus 오픈 액세스 허브(http://scihub.copernicus.edu)에서 제공하는 Sentinel-1A 위성 영상 자료를 다운로드 받아 사용하였다. Sentinel-1 SAR 위성은 파장길이(wave length) 5.6 cm의 C-Band 레이더를 사용하며 재방문 주기가 12일로서 2014년부터 운영하고 있다. 구체적인 Sentine-1A 위성 및 영상 특성은 아래 Table 2와 같다.
Table 2.
Characteristics of Sentinel-1A dataset used in this study
InSAR 분석에서는 Sentinel-1A SAR 영상을 사용하였다. 보다 구체적으로 2014년부터 2022년 9월까지 Ascending(ASC), Interferometric Wide(IW) Single Look Complex(SLC) 모드에서 이중편파(VV+VH) 및 단일편파(VV) 모드로 촬영된 총 143개 영상(Track 127, Frame 120)을 활용하였다. 한편, 각 영상은 3개의 하위 스와스(swath)로 구성되며 각 하위 스와스 이미지는 다시 일련의 버스트(burst)로 구성된다. 여기서 각 버스트는 별도의 SLC 이미지로 처리된다.
3.3. 데이터 프로세싱 및 영상 처리
SBAS-InSAR 프로세싱에서는 기선 임계치(normal baseline threshold)는 45m, 시간 기선 임계치(temporal baseline threshold)를 180일로 설정하여 주영상(master image) 및 부영상(slave image)의 네트워크를 생성하고 연구지역 AOI-1의 경우 총 2547개, AOI-2의 경우에는 총 1338개의 간섭영상(interferogram)이 생성되도록 하였다. 한편, PSI-InSAR에서는 기선 임계치를 500%, 주 파라메터인 긴밀도 한계(Coherence threshold)를 0.75로 설정하여 영상을 프로세싱 하여 AOI-1 및 AOI-2 공히 142개 간섭영상이 생성되었다. Fig. 8은 SAR 영상 처리과정에서 정합된 영상들의 시간 및 공간 기선을 도시하고 있는데 2019년 6월2일에 촬영된 영상이 주영상으로 선정되었다.
지형위상을 제거하기 위해 30m 해상도의 SRTM(Shuttle Rada Topography Mission) 수치표고모델(Digital Elevation Model)을 사용하였으며 대기환경 필터링(atmospheric filtering)을 통해 대기효과에 의한 위상 정보를 제거한 후 각 픽셀에 대한 평균 변위 속도와 지형에 의한 위상 정보를 제거하는 평탄화 과정을 수행하였다. 이후 지오코딩 과정을 통해 지반변위 속도, 시계열 변위, 잔류 지형 등에 대한 정보를 추출하였다. InSAR 분석 과정에서 확보된 산란체(PS)의 좌표는 World Geodetic System WGS-84 좌표계에서 추출하였으며 WGS86 좌표는 다시 Universal Transverse Mercator(UTM) 좌표 시스템(EPSG 코드:2157)에 투영한 결과를 활용하였다. Fig. 9에서는 참고적으로 SBAS-InSAR의 구체적인 처리 과정을 나타내고 있다. 한편, InSAR 분석에서 얻어지는 변위는 가시선(Line of Sight)의 변위이므로 이를 식 (3)과 같이 SAR 영상의 incidence angle(θ)을 반영하여 수직성분으로 환산한 값을 제시하였다.
여기서 dm=수직 침하, dLOS=가시선상의 변위
4. 결과 분석
4.1 평균 지반침하 속도 및 누적 지반침하
Fig. 10과 Fig. 11 및 Fig. 12에서는 각각 SBAS-InSAR 및 PSI-InSAR 프로세싱으로 얻어진 침하속도지도(settlement velocity map)와 주요 연도별 누적 침하지도를 보여주고 있다. 여기서 변위속도는 분석 기간(2014년~2022년) 동안의 평균값이며 양의 값은 SAR 위성을 향하는 변위, 즉 융기를 의미하며 음의 값은 SAR 위성으로부터 멀어지는 변위, 즉 침하를 의미한다.
먼저 침하속도지도를 보여주고 있는 Fig. 10에서 SBS-InSAR와 PS-InSAR 두 기법이 전반적으로 유사한 결과를 제시하는 것으로 나타났다. 즉, 대부분의 활주로 및 계류장 등 공항 주요 시설 대부분의 지역에서 평균 침하속도가 최대 +6 mm/yr정도로 나타나고 있어 지반침하에 대해 비교적 안정적인으로 유지되고 있는 것으로 분석되었다. 다만 4단계 건설사업이 진행되고 있는 북쪽 T2 주차빌딩 및 야외 주차장(A 구역), 서쪽 제4 활주로 일부구간(B 구역), 그리고 공항 남측로 개선구역(C 구역)에서 관측기간 동안 평균 연간 15mm의 침하가 발생한 것으로 분석되었다. 한편, 여기서 대부분의 지역에서 관측된 양(+)의 침하속도 발생 경향은 융기 발생을 의미하나 실제 융기가 발생하였 다기 보다는 DEM을 이용한 지형위상 제거 과정에서의 오차로 판단된다. 구체적인 분석을 위해서는 보다 정밀한 DEM을 이용하거나 변위가 실제로 발생하지 않은 지점을 지표조절점(Ground Control Point)으로 설정하여 추가적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.
주요 연도별 누적 침하지도를 보여주고 있는 Fig. 11과 Fig. 12에서는 SBAS-InSAR 및 PS-InSAR 공히 A, B, C 구역에서 분석시점(SBAS-InSAR의 경우 2016년, PS-InSAR의 경우 2014년)부터 부터 해당 구역에서 점진적인 침하 증가 현상을 뚜렷하게 관찰할 수 있으며 현재까지 SBS-InSAR는 최대 100mm 정도 그리고 PS-InSAR는 최대 130mm의 침하가 발생하는 것으로 분석되었다.
4.2 지점별 시계열 지반침하
Fig. 6의 위치도에 나타낸 관측점(a, b, c, d)에 대한 SBAS-InSAR 및 PS-InSAR 시계열 분석 결과를 각각 Fig. 13에 제시하였다. Table 3은 관측점의 위치정보를 제시하고 있다. 여기서 관찰할 수 있는 바와 같이 SBAS-InSAR 및 PS-InSAR 결과 공히 분석시점부터 지반 침하가 점진적으로 발생하는 경향을 뚜렷하게 보여주고 있다. 보다 구체적으로 살펴보면 SBAS-InSAR의 경우 비교적 적은 분산폭으로 지반 침하가 누적되는 경향을 잘 보여주고 있으며 PS-InSAR 역시 다소의 분산 경향은 나타내고 있으나 전체적으로 지반침하가 증가하는 경향을 잘 보여주고 있다. 정량적으로는 최대 침하발생지점(관측점 B)을 기준으로 할 때 PS-InSAR 분석치가 SBAS-InSAR 대비 30% 정도 크게 평가하는 것으로 나타났는데 이는 SBAS-InSAR 분석에서 2014년 및 2015년 영상과 2016영상 간의 공간적 기선거리가 너무 큰 관계로 2016년 이전 영상은 분석에 포함되지 않았기 때문으로 판단된다. 한편, SBAS-InSAR를 보다 구체적으로 살펴보면 2016년부터 2018년까지 침하가 거의 선형적으로 발생하여 약 50mm 정도가 관측된 후 2019년부터 침하속도가 다소 완화되어 2022년까지 추가 30mm 정도의 침하가 발생한 것으로 나타나 전반적으로 전형적인 비선형적인 압밀침하 발생 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 반면 PS-InSAR의 경우 전 관측 기간동안 거의 선형적으로 침하가 발생하여 2022년 현재 약 120mm의 침하가 발생한 것으로 분석되었는데 이러한 선형적 침하 발생 경향은 PS-InSAR이 선형 변위 모델을 근거로 하여 시계열 변위를 도출하기 때문으로 판단된다.
Table 3.
Location of monitoring points
4단계 공사 구간 중 비교적 침하가 크게 발생한 제4활주로 일부 구간(Fig. 7 참조)을 포함하는 단면 AA’와 T2 주차구역을 포함하는 BB’에 대한 침하곡선을 경향을 Fig. 14에 제시하였다. 보이는 바와 같이 제4활주로를 가로지르는 단면 AA’의 경우 T2 주차구역에서의 최대 80mm의 침하로 인해 최대 1/5000의 침하 경사를 보이는 것으로 나타났다. 특히 제4활주로 북측 구간에서 침하가 발생하고 있어 이에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다. T2 주차구역을 포함하는 단면 BB’의 경우 두 곳의 침하 구간이 형성되어 있음을 알 수 있으며 최대 1/7500의 경사도가 발생하는 것으로 분석되었다. 현재 지반 침하가 진행 중인점을 점을 감안할 때 제4활주로 및 T2 주차구역 등을 지반침하 집중관리 지역으로 선정하고 추가 지반침하로 인한 허용치를 초과하는 지반 경사가 발생하는 지 여부 및 항공기 운향에 미치는 여부에 대한 분석이 필요한 것으로 판단된다.
위에서 제시한 바와 같이 연구대상 지역에서는 4단계 확장 공사가 진행되고 있는 지역을 중심으로 지반침하가 진행중인 것으로 검토되었다. 침하 발생지역에서는 인천공항 4단계 건설공사의 일환으로 2017년에 연약지반 개량공사가 진행되었던 점을 감안할 때 InSAR 분석으로 관측된 침하는 연약지반 처리 공법(선행압밀공법)으로 인한 잔류침하의 성격을 갖는 것으로 판단된다. 한편, 4단계 공사구간 중 제4활주로 및 주차시설에 지반침하가 계속되는 경향을 감안할 때 항공기 운향 및 시설에 대한 사용성 측면에서의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서 제시한 다양한 지반침하 관련 결과는 InSAR 기법의 사회기간시설 장기 모니터링에 활용할 있다는 가능성을 보여주며 정밀성을 높일 경우 주요 기간시설에 대한 침하 발생 여부를 충분히 분석하고 집중 침하관리 지역을 파악하는데 매우 유용하게 활용할 수 있을 것으로 검토되었다.
5. 결 론
본 본문에서는 합성개구레이다 간섭기법(InSAR, interferometric synthetic aperture radar)의 기본 이론 및 도심지 지표변위 측정에 대한 적용성 검토 연구 내용을 다루었다. 우리나라의 주 사회기간시설인 인천국제공항을 연구대상 지역으로 선정하고 InSAR 기법 중 SBAS-InSAR 및 PS-InSAR을 토대로 2014년부터 현재까지 우리나라 지역을 공전하며 Sentinel-1A 위성에서 촬영한 SAR 영상을 분석하여 해당 지역적 지반 침하를 평가하고 InSAR 기법의 도심지 지반 침하 모니터링에 구체적인 적용 가능성 여부를 평가하였다. 연구를 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
∙InSAR 기법에 기반한 시계열 간섭기법은 SAR 위성이 지구를 공전하면서 일정한 시간 간격으로 한반도의 영상을 제공하므로 별도의 측정 장비 설치 없이 장기간에 걸쳐 발생하는 지반침하 모니터링에 효율적으로 적용할 수 있는 것으로 검토되었다.
∙SBAS-InSAR와 PS-InSAR 기법은 전반적으로 정성·정량적인 측면에서 유사한 결과를 제공하는 것으로 검토되었다. 다만 PS-InSAR 기법에서는 간섭영상 분석 시 선형 모델을 활용하여 간섭영상간 변위를 보간 하는 알고리즘에 근거하고 있어 선형적인 침하 발생이 관측되었으나 SBAS-InSAR 경우 비선형적 변위 발생경향을 구현할 수 있어 현실적인 침하 발생 경향을 제공하는 것으로 검토되었다. 따라서 압밀침하 혹은 지반굴착 현장에서의 변위 모니터링을 위해서는 SBAS-InSAR 기법이 적절할 것을 판단된다.
∙인천국제공항의 경우 4단계 공사 구간에서 영상분석 시점부터 현재까지 최대 120mm 정도의 지반침하가 발생하는 것으로 나타났으며 김포국제공항의 경우 국제선 및 국내선 계류장에서 최대 130mm의 침하가 발생한 것으로 분석되었다. 인천국제공항의 경우 연약지반처리공법 실시로 인한 잔류 침하인 것으로 판단된다. 분석 결과 현재 지반 침하가 진행 중인점을 점을 감안할 때 지반침하 집중관리 지역을 선정하고 추가 지반침하로 인한 허용치를 초과하는 지반 경사가 발생하는 지 여부 및 항공기 운향에 미치는 여부에 대한 분석이 필요한 것으로 판단된다.
∙InSAR 기법은 주요 사회 기간시설인 공항 시설의 장기 침하 모니터링에 적용하는데 있어 광역대 지반침하 경향은 물론 지반침하 경사도 및 침하 이력 등의 결과를 비교적 용이하게 확인할 수 있어 사회기간시설 집중관리 구간의 선정 및 이에 대한 장기 모니터링에 매우 효율적인 것으로 검토었다. 따라서 InSAR 기법은 기존의 계측 방법을 4차 산업 기술로 전환하여 광역대 도심지 지반침하 모니터링 기술 발전시킬 수 있을 것으로 판단된다.
∙다만, InSAR 기법을 구조물 침하관리 모니터링 기술로 정착시키기 위해서는 재방문 주기가 짧은 SAR 위성이 운영되어 시간적 해상도가 높은 양질의 데이터를 확보할 수 있어야 하며 아울러 고해상도의 SAR 영상에 대한 접근이 보다 자유로워야 할 것으로 판단된다. 또한 InSAR 프로세싱 결과는 어떠한 S/W를 활용하더라도 다양한 파라메터에 대한 캘리브레이션이 필요하며 따라서 향후 InSAR 프로세싱의 정확도를 높이는 구체적인 연구를 수행할 예정이다. 아울러 현장 실측 데이터와의 비교 연구를 통해 InSAR 기법의 현장 적용성 검증 연구를 수행할 예정이다.
