물리학과 첨단기술 November 2006 21

저자약력

문우일 교수는 University of British Columbia 이학박사(1976)로서

Manitoba 대학 지구물리학 교수/전기공학과 겸임 교수(1979-1999)를

거쳐 현재 서울대학교 정교수(1999-현재)로 재직 중이다. 현재 CGU

(Canadian Geophysical Union) Founding Member, IEEE(USA) Fellow,

대한민국 한림원 정회원으로도 활동 중이다. 수상경력으로는 캐나다

Manitoba 대학 Faculty Research/Teaching상(1985), 한국-캐나다 재단 과학

기술상(1999), 대한지질학회 공로상(2004), IEEE (USA) GRSS(Geoscience

and Remote Sensing Society) Achievement Certificate(2004), 제33회 운

암지질학상(금메달)(2006)을 수상한 바 있다. (wmoon@eos1.snu.ac.kr)

Synthetic Aperture Radar (SAR)를 이용한

지구시스템 측

문 우 일

그림 1. 전자기파 스펙트럼.

서 론

우리가 직 볼 수 없는 몸 안은 이를 투과할 수 있는 X‐이와 같은 도구를 이용하여 찰할 수 있듯이 지구물리학

에서는 이론 인 지구의 력장이나 자기장 등을 연구함과

동시에 지진 를 이용하여 지구의 내부를 찰하는 연구를

한다. 이러한 통 인 지구물리학과 더불어 근래의 우주과학

기술의 발달로 인해 인공 성에 장착된 여러 가지 센서를 이

용하여 지구표면의 지질구조 는 시공간 으로 변화하는 지

구물리 상을 측하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 지구 측에 사용되는 에 지원은 자기 이며, 그림 1과 같이

주 수(Frequency) 는 장(Wavelength)을 이용하여 구분

할 수 있다. 기의 구성요소에 의한 자기 장에 따른

선택 흡수 상으로 인해 자기 에 지의 손실을 래하

게 되며, 지구표면의 효과 인 측을 해 주로 우리가 사용

하는 카메라와 같이 가시 선 외선 역을 이용하거나

마이크로 역을 이용한다. 인공 성 탑재 센서를 이용한 지구 측은 미국의 우주항공

국(NASA)이 LANDSAT을 개발하여 1972년에 LANDSAT‐1을 성공 으로 발사하면서 시작 다고 할 수 있다. 이는 가

시 선 외선 역을 촬 할 수 있는 카메라( 학센서)를

지구궤도에 올려서 지구 표면을 촬 하는 것으로 이후 재

까지 유럽과 미국을 심으로 이러한 카메라의 공간 인 해

상도 분 해상도를 향상시킨 센서를 새롭게 탑재하는 여

러 종류의 인공 성이 개발되어 지구 측을 수행하고 있다. 우리나라도 1999년에 학카메라를 탑재한 아리랑 1호

(KOMPSAT‐1)를 성공 으로 발사하면서 인공 성을 이용한

지구 측의 학문분야를 본격 으로 시작하게 되었고, 2006년에 공간 으로 1 m 정도를 구분할 수 있는 성능의 카메라를

탑재한 아리랑 2호 (KOMPSAT‐2)가 발사되어 운용되고 있다. 1980년 에 들어서는 지구표면의 다양한 지구물리학 로

세스를 기상상태 주야에 계없이 측할 수 있는 SAR (Synthetic Aperture Radar)가 미국과 유럽의 우주항공국에

의해서 새롭게 개발되었고, 1992년 ERS‐1 성이 유럽 우주

항공국(ESA)에서 개발되어 발사됨으로써 새로운 지구 측 분

야를 개척하 다. 특히 구름과 기상 상에 따라 지표를 효과

으로 측할 수 없는 상태가 증가하면서 지구 측에 SAR의 응용에 한 요성이 증 되고 있다. 우리나라에서도 앞

으로 2008년 발사를 목표로 인공 성 SAR의 개발이 추진되

고 있다.

물리학과 첨단기술 November 2006 22

그림 2. RADAR의 펄스송신과 반사파 수신. 그림 3. 다편광 SAR를 장착한 인공위성.

SAR 기술 개요

SAR는 인공 성이나 비행기에 탑재된 안테나로부터 마이

크로 를 하여 지표에 의해 반사되거나 산란되어 되돌아

오는 기장을 측정함으로써 고해상도의 상을 생성하는 시

스템이다. SAR의 에 지원인 마이크로 는 아지랑이, 가랑비, , 구름, 연기 등을 뚫고, 그 아래에 있는 지형을 측할 수

있으며, SAR 시스템은 스스로 측에 사용하는 에 지원을

하는 능동시스템이기 때문에 주야로 상을 얻을 수 있

는 장 이 있다. 1978년 미국 NASA의 Seasat을 시작으로 민간 과학 목

의 지구궤도 SAR 시스템이 개발되어 재까지 육상 해상

측의 여러 응용분야에 다양하게 이용되고 있다. 최 의 민

간목 SAR 시스템인 Seasat 성은 800 km 높이의 극궤

도를 지나며, 1978년 6월 27일에 발사되어 지구 해양의 약

95%가 이 시스템에 의해 혔다. 1990년 에 들어서 유럽의

ESA(European Space Agency), 일본의 NASDA(National Space Development Agency), 캐나다의 CSA(Canadian Space Agency) 등의 기 에서 지속 인 지구 측 목 의 인

공 성을 이용한 SAR 시스템이 활발히 개발되어 왔으며, 실제 지구궤도로 발사되어 계획된 수명 이상으로 성공 인 임

무를 수행해 왔다. SAR 시스템은 긴 장의 마이크로 를 이용하기 때문에

지표면의 식생이나 토양을 투과하여 상을 획득할 수 있다. 투과하는 능력은 마이크로 의 어떤 장을 사용하느냐와 지

표의 식생과 토양의 상태가 어떤가에 좌우되며, X‐band를 이

용하는 경우 마이크로 는 식생에서 부분 산란되어 되돌아

오지만, 장이 긴 L‐band나 P‐band를 사용하는 경우 식생

이나 토양을 상당부문 투과할 수 있다. 이러한 SAR 시스템의

장 으로 인해 지도제작이나 지표의 토지이용을 구분하는

통 인 지구 측에 응용됨과 동시에 삼림지역에 한 식생의

생물량(biomass), 토양의 수분함량 등 지표환경에 한 정량

인 정보 획득 해양 표면의 바람, 해류, 랑에 한 정

보를 얻는 데에 SAR를 이용한 지구 측 기술이 활발하게 이

용되고 있다. 한 농업, 해양 연안분석, 지질연구, 자연재해

리, 임업, 도시계획, 정 지형정보, 고고학 등의 다양한 분

야에서 응용되고 있으며 정보의 가공 처리에 따라 그 활용은

더욱 확 될 수 있다. 특히 주기 이고 지속 으로 지구를

측할 수 있는 인공 성을 이용한 지구 측은 산불, 홍수, 산사태, 태풍과 같은 재해지역을 모니터링 하는 데에 매우 효과

이다. 그러나 이러한 마이크로 를 이용하는 SAR 시스템은

지표의 서로 다른 여러 종류의 물체에서의 산란 효과가 첩

된 결과로 되돌아오는 신호를 측정하므로 목 이 되는 정보

와 주변의 신호를 구분해내기 어렵다는 문제가 있으며 이와

련되어 최근에 SAR 편 측정(SAR Polarimetry)과 SAR 간섭계(SAR Interferometry) 기술의 이용이 확 되고 있다.

SAR Polarimetry

2000년 이 의 통 인 SAR 시스템은 고정된 단일편

의 사용으로 인해 원래 벡터양인 자기 의 정보를 일부 손

실하게 됨으로써 용상에 제한이 있어왔다. 이러한 SAR 시스템의 부분 인 제한을 극복하기 해 송수신되는 자기

를 벡터로 해석할 수 있도록 하는 편 SAR(Polarimetric SAR) 시스템이 지구 측에 새롭게 응용되고 있으며, 2002년 3월에 성공 으로 발사된 유럽의 ENVISAT을 비롯하여

물리학과 첨단기술 November 2006 23

그림 4. 편광특성을 이용한 토지피복 분류.

그림 5. SAR로 획득된 동해상의 바람 벡터.

그림 6. SRTM 프로젝트.

독일, 캐나다, 일본의 차세 지구 측 성에 탑재될 계획이

다 (그림 3). 마이크로 의 편 측정기법은 기존의 SAR 자료보다 정보의 양이 매우 증가하게 되며 마이크로 의 편

특성을 바탕으로 육상 해양의 다양한 응용분야에 있어 정

확도 정 도를 향상시킨다. 편 측정을 통해 마이크로 가 지구표면의 서로 다른 물체

에서 어떠한 메커니즘을 통해 산란되어 측되는가에 하여

정 하게 구분할 수 있으며 그 지역에 해 모르는 상

황에서 매우 효과 으로 이용될 수 있다. 그림 4는 제주도 지

역의 편 SAR 상과 편 특성을 이용한 산란메커니즘의

분류 결과를 보여주고 있다. 제주도 지역의 자료는 항공기용

편 SAR 시스템인 NASA 제트추진연구소(Jet Propulsion Laboratory)의 AIRSAR 상이며, 2000년 한반도 유일의 편

이더 측 실험인 PACRIM‐II 실험을 통해 획득되었다. 이와 더불어 마이크로 의 편 특성을 이용하여 육지에

한 토양의 거칠기, 토양의 수분 함유량, 생물량, 갯벌의 상태

등에 한 정량 정보를 얻어낼 수 있으며, 해양표면의 바람

의 세기 방향 (그림 5), 랑 등을 측할 수 있다.

SAR Interferometry

SAR는 거리에 상용 이더로써 거리의 측정이 가능하다

는 장 이 있다. 마이크로 의 상정보를 이용할 수 있는 장

이 있다. 이와 같은 SAR의 측특성에 의해 동일한 지역에

하여 약간 다른 각도에서 측된 2개 이상의 상의 상

차이(phase shift)를 얻을 수 있고 이를 바탕으로 지표면의 3

차원 인 형태를 구 할 수 있는 기술을 이더 간섭기법

(SAR Interferometry)이라 한다. 이 기법은 기본 으로 규

모의 넓은 지역에 한 수치표고모델(DEM)의 구 을 가능하

게 한다. 미국, 독일, 이탈리아의 우주항공국에서는 우주왕복

선을 이용하여 세계 육지의 80 %에 해당되는 지역에

해 정 한 수치표고모델을 획득하는 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission) 로젝트를 2000년 2월에 실시하 으

며, 최 로 동일시기의 지구 인 지형정보가 이더 간섭

기법을 통해 획득되었다 (그림 6). 이더 간섭기법은 3차원 인 지형정보의 획득뿐만 아니라

동일한 지역을 반복 으로 지나는 인공 성을 이용하여 지구

물리학과 첨단기술 November 2006 24

그림 7. 레이다 간섭계에 의해 측정된 1992년에서 1996년 사이의 백두산

지역 지표변위.

그림 8. 레이다 간섭계에 의해 측정된 고베 지진에 의한 지표 변위.

그림 9. 울산 앞바다의 해류 벡터.

표면의 변 를 측할 수 있다. 특히 지진이나 화산과 같이

활성상태의 지구표면에 한 상세한 정보를 제공하면서 수십

km의 넓은 지역을 수 cm의 변 로 측정할 수 있고 빙하의

움직임도 이 정도의 정 도로 측정이 가능하게 되어 지구

측 분야의 새로운 도구로서 주목받고 있다. 그림 7은 백두산

지역에 하여 수년간에 걸쳐 일어나는 지표의 변 를 일본

의 JERS‐1 성의 SAR 자료에 한 이더 간섭기법을 이

용하여 측정한 결과이고, 그림 8은 역시 JERS‐1 SAR 자료

를 이용하여 1995년 1월 발생한 일본의 고베 지진에 의해

발생한 변 를 측정한 를 보여주고 있다. 한 해양표면에

하여서도 이다 간섭기법이 용되며, 간섭기법의 한 형태

인 ATI (Along‐Track Interferometry) 기법은 해양표면의 해

류를 정 하게 측정할 수 있어 매우 유용한 도구로서 가능성

을 제시하고 있다 (그림 9). 이 ATI 기법을 이용하면 지구 궤

도의 인공 성에서 지표의 움직이는 목 물들도 정확히 측

할 수 있다.

맺음말

최근 마이크로 를 이용하여 지구표면을 측하는 SAR 시스템의 장 에 한 시각은 시간 제한 없는 천후 측이

라는 측면으로부터 마이크로 와 지표물질의 반응을 이용, 지표의 생․물리 정보를 얻어내는 방향으로 환되고 있다.

가까운 미래에 지구 측 자료를 제공하게 될 일본의 ALOS PALSAR, 독일의 TerraSAR‐X, 캐나다의 RADARSAT‐2와 같

은 편 SAR 상의 이용은 이제까지의 다른 인공 성 센서

들보다 지구시스템에 한 신 인 정보를 제공할 것으로

기 된다. 선진국의 이러한 연구개발 추세에 맞추어 국내에서

도 지구표면의 물리량을 다각 으로 측할 수 있도록 하는

인공 성 SAR 시스템을 이용한 지구 측 연구에 보다 심

을 기울여야 할 것이다.