1. 서 론
2. 위성 영상을 활용한 동결 지반 거동 특성 분석
2.1 위성(SAR) 영상을 활용한 공간정보 구축
3. 현장 실험을 통한 위성 관측 동결 지표 변위 비교 분석
3.1 현장 실험 구성
3.2 위성 관측 지표 변위와 현장 관측 지표변위 비교 분석
4. 결 론
1. 서 론
건설 활동이 이루어지는 지반은 지역과 위치에 따라 발생 과정과 특성이 크게 달라지므로, 구조물을 설계·시공하기 전 대상 지역의 지반 특성(물성치)을 파악하는 것은 필수적이다. 최근 지구온난화로 인한 급격한 기후 변화로 지반에 영향을 미치는 주요 물성치 중 동결 취약성(frost susceptibility)에 대한 관심이 대두되고 있다. 동결 취약성은 일반적으로 실트 지반에서 가장 크게 나타나는데, 이는 실트질 지반이 모래질 지반에 비해 상대적으로 큰 모관류(capillary flow)와 점토질 지반에 비해 큰 투수계수 때문이며, 따라서 개발 예정 지역의 입도분포는 지반 거동 예측에 매우 중요한 요소가 된다. 또한, 동결 지반은 일반 토사와 달리 흙 입자, 물, 공기, 얼음의 4상으로 구성되어 있으며, 온도 저하 시 간극수의 상변화로 입자 간 결합력이 증가해 강도가 향상된다. 이에 따라 지질 구조, 지형 구조, 지진 활동, 수문학적 조건, 역사적 기록 등을 포함한 지반 공학적 자료의 수집·기록·분석이 정확하게 수행되어야 한다. 그러나, 지반 변위가 크게 발생하는 지역은 접근성이 제한되어 현장 조사에 한계가 있으며, 이로 인해 최근에는 위성 영상을 활용한 공간 분석(Kim and Han 2022; Kim et al., 2023)이나 지표 변위 분석(You, 2022; Zhang et al., 2019)에 대한 다양한 연구가 수행되고 있다. 터널 시공으로 인한 지반 거동(Roccheggiani et al., 2019)이나 교량 변위 분석(Jung et al., 2019) 등 다양한 분야에서도 영상레이더 간섭 기법(InSAR) 기법이 널리 활용되고 있다.
특정 지역에 대해 동일한 관측 조건으로 서로 다른 시점의 위성 영상을 확보할 경우 지표 변위 분석이 가능하다. 그러나, 동결과 융해가 반복되며 계절별로 변위의 크기와 방향이 달라지는 지반에서는 단일 영상레이더 간섭 기법(two-pass InSAR)을 활용하여 두 장의 SAR 영상으로부터 관측 기간 동안의 변위만을 측정하는 방식은 극한지 모니터링에 한계가 있다. 선형적인 변위가 발생하는 지역이라 하더라도 단일 간섭 기법으로 도출된 결과에는 대기 지연, 지형 고도에 따른 위상 제거 불완전성 등 다양한 원인으로 인한 오차가 포함될 수 있다. 반면, 시계열 영상레이더 간섭 기법(time-series InSAR)은 다수의 SAR 영상을 이용해 시간적으로 변화하는 변위와 변위 속도를 추출할 수 있는 기술로, 대기 및 궤도 오차, 지형 고도 불확실성을 통계적으로 평가·보정할 수 있어 기후에 따른 변위가 큰 지역의 모니터링에 매우 효과적이다(Choi and Kim, 2018; Krishnan and Kim, 2018; Yu and Yun, 2019). 시계열 InSAR는 마이크로파 산란 특성에 따라 고정산란체 기반 기법(PS-InSAR)과 분산 산란체 기반 기법(SBAS-InSAR)으로 구분된다. 전자는 건물, 송전탑 등 고정산란체(persistent scatterer, PS)를 이용하여 품질 높은 결과를 도출할 수 있으나, 산란체가 부족할 경우 공간적 밀집도가 낮고 충분한 영상 확보가 요구된다. 후자는 다수의 간섭쌍을 생성하여 고정산란체가 없는 영역에서도 변위 탐지가 가능하며, 넓은 지역을 적은 영상으로도 분석할 수 있는 장점이 있으나 상대적으로 신호가 불안정해 정확도 저하 가능성이 있다. 대표적인 알고리즘으로는 PS-InSAR(Ferretti et al., 2001)와 SBAS- InSAR(Berardino et al., 2002)가 있다.
본 논문에서는 이러한 시계열 위성 영상을 활용하여 동결 지반의 지표 변위를 장기 모니터링하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 동결 지반을 모사한 현장 실험을 수행하였으며, PS-InSAR 및 SBAS-InSAR 기법으로 측정된 변위 결과와 비교·분석을 실시하였다.
2. 위성 영상을 활용한 동결 지반 거동 특성 분석
2.1 위성(SAR) 영상을 활용한 공간정보 구축
시계열 영상레이더 간섭 기법을 이용하여 동결 지반의 거동 평가 방법을 검증하기 위하여 경기도 연천군 연천읍에 위치한 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 현장 실험을 수행하였다. 연구 대상 지역은 년 최고 38℃, 최저 영하 20℃로 온도차가 크고, 여름철 강수량이 많아 계절별 급격한 지표 변위가 발생하는 지역이다. 위성 영상을 활용한 지표 변위 분석을 위해 해당 지역에 대한 공간정보를 사전 분석하였다. 시계열 영상레이더 간섭 기법에 적용할 인공위성 SAR 공간정보는 유럽우주국에서 발사하여 운용하고 있는 Sentinel-1 위성의 C-band SAR(중심주파수 5.405GHz) 영상을 활용하였다. 실험 부지에 대해 Sentinel-1A 위성의 Interferometric Wide(IW) swath 이미징 모드에서 획득된 VV 편파의 시계열 SAR 영상을 구축하였다. 모든 SAR 영상은 위성의 상향 궤도(ascending orbit)에서 획득되었으며, 영상 중심의 레이더 입사각은 39.1°이다. SBAS-InSAR 영상 분석은 2022년 11월 1일부터 2023년 9월 21일까지 획득된 24개의 영상을 사용하였고, PS-InSAR에는 현장 실험에서 산란체(삼각 코너 리플렉터, corner reflector)가 설치된 이후인 2023년 2월 17일부터 2023년 8월 4일까지 획득된 11개의 영상을 사용하였다. 산란체 설치 시점 이후부터 고정산란체로 선정될 수 있으며, 설치 이전에 해당 위치에서는 고정산란체가 도출되지 않기 때문에, 산란체 설치 이전의 SAR 영상을 PS-InSAR에 적용할 경우 산란체에서 변위가 탐지되지 않을 가능성이 있다. Fig. 1은 현장 실험을 수행한 SOC 실증센터 주변 지표 변위를 분석한 결과이다. PS-InSAR는 2023년 3월 25일의 Sentinel-1 SAR 영상을 주 영상으로 설정하고, 나머지 모든 SAR 영상들은 부 영상으로 설정하여 주 영상에 정합하였다. 이를 통해 총 11개의 영상레이더 간섭도가 생성되었으며, 간섭도를 생성하는데 사용된 간섭쌍의 최대 시간 기선 거리는 132일, 최대 수직 기선 거리는 150.3m이다(Fig. 1(a)). 각각의 간섭도에서 Copernicus GLO-30 DEM을 사용하여 지형 고도에 의한 위상을 제거하였다. 그리고 SAR 후방산란 영상에서 진폭분산지수가 0.4 이하인 픽셀을 추출하여 변위를 도출하기 위한 고정산란체 후보(PS candidate, PSC)로 선정하였다. 후보군에서 신뢰할 수 있는 고정산란체를 최종 선정하기 위해 인접한 PSC 간의 시공간적 위상차를 구하고, 가중평균 된 위상차와의 차이를 계산하여 잔여 위상을 구하였다. 잔여 위상에 low-pass 필터링을 적용하고 평활화된 시공간적 위상차를 구한 후, 이를 원래의 위상차로부터 제거하여 위상 잡음을 추정하였다(Hooper et al., 2007). 1 radian 이상의 위상 잡음을 가지는 PSC는 최종 분석에서 제외하였고, 나머지 고정산란체들에 대해서는 DEM 부정확성에 의한 간섭 위상 오차를 보정하였다. Fig. 1(c)는 PS-InSAR를 통해 도출된 연구 대상 지역 주변의 위성 관측 방향(Line of Sight, LOS 방향)에 대한 지표 변위 속도이다. 연구 대상 지역에서는 수평 변위를 발생시킬 만한 요인이 거의 없으므로 지표 변위 속도는 지반의 침하 또는 융기 속도를 나타낸다고 가정할 수 있다. 연구 대상 지역 주변은 대부분 식생으로 피복되어 있고 고정산란체로 선정할 만한 산란체가 많지 않아 지표 변위 관측 영역이 제한적이었다. 연구 대상 지역 내에서 도출된 고정산란체들의 변위 속도는 대부분 ±10mm/yr 이내로 작았으며, 지반이 비교적 안정적인 상태임을 나타낸다. 실험 지역의 동편 가장자리와 같이 고정산란체의 밀집도가 매우 낮은 지역에서는 ±50mm/yr 수준의 큰 지표 변위 속도가 관측되었는데, 이는 PS-InSAR의 시계열 변위 관측 오차일 가능성이 있다. PS-InSAR는 인접한 고정산란체들 사이의 간섭 위상을 연결하는 과정을 수행하게 되는데, 만약 PS의 밀집도가 낮다면 이 과정에서 오차가 발생할 수 있다. 또한, 밀집도가 높더라도 인공적인 변화(도로, 구조물, 공사 등) 요인에 의해 지표 변위 속도가 크게 변화하는 경향이 나타날 수 있다.
현장 실험을 수행하는 동안의 시간 기선 거리 및 300m 이내의 수직 기선 거리를 가지는 간섭도들을 생성하여 SBAS-InSAR를 수행하였고, 긴밀도가 낮거나 절대 위상 복원(phase unwrapping)에 오류가 있어 시계열 변위 측정에 부정확성을 야기할 수 있는 간섭도들은 분석에서 제외하였다. 간섭도에서 decorrelation, 기선 거리 오차, 위상 복원 오차 등으로 발생할 수 있는 시계열 지표 변위 도출의 오류를 줄이기 위해 각각의 간섭도에서 긴밀도가 0.3 이하인 픽셀을 제외하였다. 또한, 시계열 간섭도로부터 모사된 선형의 간섭 위상과 관측된 간섭 위상 사이의 편차에 대한 표준편차가 1radian 이상인 픽셀도 분석에서 제외하였다. 대기에 의한 위상지연 효과는 시계열 간섭 위상에 대해 공간적으로 Low-pass 필터링, 시간적으로 High-pass filtering을 적용하여 보정하였다. SBAS-InSAR를 통해 도출된 SOC 실증센터 주변 영역의 지표 변위 속도는 Fig. 1(d)와 같다. 지표 변위 속도 비교 결과와 같이 PS-InSAR에 비해 변위 탐지 면적이 다소 넓은 것을 확인할 수 있다. 그러나 산림으로 피복된 지역에서는 산란체의 위상 변화가 크므로 시계열 변위 탐지에 어려움이 있었다.
3. 현장 실험을 통한 위성 관측 동결 지표 변위 비교 분석
3.1 현장 실험 구성
위성 영상을 활용한 동결 지반 지표 변위를 측정하기 위하여 한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터에서 동결 지반을 조성하였다. 실험 대상 부지는 지체구조적으로 경기육괴와 임진강대가 접하는 경계부에 위치하며, 광역지질은 고생대 연천층군에 속한다. 사전 지반 분석을 위해 탄성파 굴절법 탐사를 수행한 결과, 제1층인 표토 및 풍화토는 평균 두께 4.3m(최소 1.4m, 최대 8.2m)로 분포하였고, 제2층인 풍화암은 평균 두께 3.7m(최소 1.5m, 최대 6.6m)로 나타났다. 제3층 기반암(연암)의 출현 심도는 –3.3~–14.4m 범위로 분포하였다. Fig. 2와 같이 지반의 장기 거동을 평가하기 위해 가로 5.0m, 세로 10.0m 규모의 실험 부지를 조성하였다. 또한 계절적 온도변화를 고려하여 활발한 동결–융해 거동을 재현하고자, 해당 부지를 깊이 3.0m까지 굴착 후 되메움 과정에서 1.0m 간격으로 충분히 포화시켜 동결 지반을 모사하였다.
동결 지반의 지표 변위 측정에 위성 영상 기법의 정확성을 검증하기 위하여, 모사한 지반 위에 산란체(삼각 코너 리플렉터)를 제작하여 Sentinel-1 위성의 관측 방향에 맞추어 설치하였다. Fig. 3(a)의 삼각산란체는 매우 강한 후방산란 신호를 나타내며, 인공위성 SAR 관측에서 고정산란체로 선정되어 고정산란체 기반 영상레이더 간섭 기법에 효과적으로 활용된다. 인공 동결 지반과 기준 지반(비동결 지반)에 수평 변위가 발생하지 않도록 무게가 충분히 있는 콘크리트 블록을 위치시키고, 각각의 상부에 산란체와 신축계(Fig. 3(b))를 설치하여 지표 변위를 시계열로 측정하였다. 산란체가 설치된 콘크리트 블록에 측정점을 설치하고, 실험 초기 신축계와 측정점간의 높이, 수평거리를 측정하여 신축계의 와이어 길이 보정을 수행하였다. 이후 계측된 신축계 와이어 변위로 산정된 수직 변위로 침하량을 산정하여 위성 영상으로 측정한 지표 변위를 비교 분석하였다. 또한, 열전대(Fig. 3(c))를 설치하여 지표면으로부터 0.5m 간격으로 지중 온도를 계측하였다.
PS-InSAR 기법으로 산출되는 시계열 변위는 3차원 공간에서 발생하는 고정산란체의 움직임이 위성의 레이더 관측방향(LineofSight, LOS)으로 투영되어 얻어진 변위이다(Lee et al., 2024). 고정산란체의 LOS 방향 변위를 도출하기 위해 모사된 동결 지반의 측정 오차를 최소화할 수 있는 영역 및 측정 픽셀 크기를 선정 후 안정적인 후방산란계수(진폭분산지수 0.4이하)가 관측될 수 있도록 각 변의 길이가 2m인 삼각산란체를 제작하여 설치하였다. 산란체 설치 지점에 대한 레이더 후방산란계수를 모니터링한 결과, Fig. 4와 같이 산란체 설치 이후 0dB 이상(2.9dB)의 높은 후방산란계수가 안정적으로 관측되는 것을 확인할 수 있었다.
3.2 위성 관측 지표 변위와 현장 관측 지표변위 비교 분석
Fig. 5는 PS-InSAR 및 SBAS-InSAR 기반 LOS 방향 변위와 신축계를 통해 측정된 산란체의 연직 변위를 함께 나타낸 것이다. 지반의 동결 융해 거동에 따른 지표 변위 거동을 분석하고자 열전대를 통해 측정한 지표의 일 최고·최저 온도와 함께 도시하였다. 산란체 설치 지점에 대한 2023년 2월 5일과 2월 17일의 Sentinel-1 SAR 영상으로, 산란체 설치 전인 2월 5일에는 강한 후방산란 신호를 관측할 수 없었으나, 설치 이후인 2월 17일에는 매우 높은 후방산란계수가 관측함으로써 PS-InSAR를 통한 산란체의 시계열 변위 측정을 수행하였다. 신축계를 통해 계측된 지표 변위는 PS-InSAR 및 SBAS-InSAR로 측정된 지표 변위와 매우 유사한 경향성을 보였다. 또한, 일 최고 기온이 영상으로 바뀌는 2월부터 3월초까지 신축계로 계측된 변위, PS-InSAR 및 SBAS-InSAR로 측정된 LOS 방향의 변위 모두 급격한 변화가 나타났고, 이는 동결된 지반이 융해되기 시작되는 시점으로 분석된다. 비교 분석 결과 일 최저기온도 영상의 온도로 바뀌는 3월 중순부터는 동결 지반 침하가 완료되어 지표 변위가 종료되어 지반 거동 변화가 크게 발생하지 않는 경향성을 보여주었다. 신축계로 측정된 변위를 기준으로, PS-InSAR 및 SBAS-InSAR 측정 변위의 오차는 각각 약 0.0~4.2%, 0.0~12.6%로 나타났다. 산란체 설치 후 삼각산란체가 고정산란체 역할을 수행함에 따라, PS-InSAR로 측정된 지표 변위는 신축계 계측 결과와 거의 일치하는 거동을 보여 SBAS-InSAR에 비해 정확도가 높았다. 또한, 7월 이후 산란체의 후방산란계수가 크게 변동하였는데, 이는 강우 영향에 따른 것으로 판단된다. 비교 분석 결과, SBAS-InSAR는 PS-InSAR에 비해 변위 변동성이 크게 나타났는데, 이는 분산산란체가 고정산란체 보다 후방산란 신호가 불안정하여 SBAS-InSAR 변위의 부정확성이 커지기 때문으로 해석된다. 결국, 현장 실험 계측값과 위성 SAR 영상 기반 시계열 간섭기법(PS-InSAR, SBAS-InSAR)을 비교 분석함으로써 지반의 시계열 동결 거동 모니터링 기법의 정확성을 검증할 수 있었다.
4. 결 론
본 논문에서는 시계열 위성 영상을 활용한 동결 지반 지표 변위를 장기적으로 모니터링하는 방법을 제안하고자 인공 동결 지반을 조성하여 현장 실험을 수행하였다. 또한, PS-InSAR 및 SBAS-InSAR 기법으로 측정된 지표 변위를 비교·분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
1.위성 영상을 활용한 지표 변위 분석을 위해 연구 대상 지역인 경기도 연천군 연천읍(한국건설기술연구원 연천 SOC 실증센터 및 인근 지역)에 대한 공간 분석을 수행하였다. SBAS-InSAR 기법은 PS-InSAR에 비해 변위 탐지 면적이 다소 넓었으나, 산림으로 피복된 지역에서는 시계열 변위 탐지에 한계가 확인되었다.
2.지반 결빙에 의한 지반 융기, 동결토의 융해로 인한 지반 침하, 계절에 따른 반복적인 동결·융해 거동을 평가하기 위하여 가로 5.0m, 세로 10.0m, 깊이 3.0m의 포화된 동결 지반을 현장 모사하고, 지중 온도 및 지표 변위를 장기 모니터링하였다. 구축된 동결 지반의 지표에서는 계절별 약 40℃의 기온차가 발생하여 약 20.0mm의 지표 변위가 발생하여 동결 침하 거동을 확인할 수 있었다.
3.계절(기온) 변화에 따른 직접 계측 지표 변위는 PS-InSAR 및 SBAS-InSAR 기법으로 측정된 변위와 매우 유사한 경향을 보였다. 특히, 삼각산란체(Corner reflector)가 고정산란체 역할을 한 PS-InSAR 측정값은 현장 계측 결과와 거의 일치하여, 시계열 InSAR 기법의 정확성을 실증적으로 검증할 수 있었다.
본 연구에서 수행한 현장 실험은 시계열 위성 영상을 활용한 지표 변위 모니터링 기법이 동결 지반 거동 평가에 적용 가능함을 입증하였다. 향후 다양한 지반 및 기후 조건에서 장기적인 모니터링 연구를 추가하여, 제안 기법의 신뢰성과 활용 범위를 더욱 확대할 필요가 있다.
