1. 서론

갯벌은 해수의 순환으로 인해 퇴적물이 밀집되어 다양한 생물들의 서식지이며, 자연 정화조의 역할로서 경제적, 사회적, 환경적으로 중요한 지역이다. 특히 우리나라 갯벌은 단위면적당 63억원 이상의 가치를 가지고 있다고 보고되었다(MOF, 2013; Hwang et al.,2020). 그러나 해양수산부의 보고에 따르면 2018년 갯벌 면적이 2,482.0㎢로, 2013년보다 5.2㎢감소한 것으로 확인되었다. 이는 중소규모 공유수면 매립이 지속적으로 추진된 것이 원인이라고 보고있다. 전체 갯벌 면적의 83.8%인 서해안 갯벌은 가장 중요한 위치의 갯벌이라 할 수 있다. 서해안 갯벌 중 본 연구를 실행한 강화도의 갯벌은 한반도 한강 하구에 위치한 갯벌로 한강에서 주요 수로를 통해 유입되는 담수와 조석으로 운반되는 해수의 영향을 받는다. 갯벌은 지속적인 모니터링이 필요하며 이를 인공위성 원격 탐사를 활용하여 정밀한 데이터를 얻고자 한다. 따라서 본 연구에서는 TanDEM-X 위성영상을 확보하여 간섭 기법(Radar Interferomery)을 이용한 DEM을 우선적으로 제작하고자 한다. 생성된 DEM을 활용하여 강화도 갯벌의 DEM, 조류로, 조류로 밀도도, 경사도를 추출하여 강화도 갯벌의 정보 분석을 위한 데이터로 제공한다. 결과적으로 추출한 데이터는 갯벌의 특성과 정보를 포함하고 있어 갯벌 모니터링과 보존 연구에 유용한 정보로 활용될 수 있다.

2. 조사 지역

강화도 갯벌은 경기만 북부에 자리잡고 있으며, 126° 21’E ~ 126° 32’E, 37° 35’N ~ 37° 50’N 에 위치한다. 조수는 반일이며 평균 조수 범위는 6.5 m로 연간 25회의 높은 만조와 낮은 만조가 있다. 갯벌의 동쪽은 갯벌, 서쪽은 모래 갯벌이 있으며, 그 사이에 넓은 혼합 갯벌이 분포하고 있다(Fig. 1).

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Figure 1

Ganghwa Tidal Flat

GEODATA-4-1-37_F1.tif

3. 데이터 구축 방법

본 연구에서 구축된 데이터는 강화도 갯벌의 Digital Elevation Model (DEM) 조류로, 조류로 밀도도, 경사도로 총 4종의 데이터를 생성하였다. TanDEM-X 인공위성의 영상을 가공하여 데이터를 생성하였다.

3.1. TanDEM-X 위성영상 확보

1) TanDEM-X Mission

TanDEM-X Mission은 TerraSAR-X 위성과 일정거리를 유지하며 편대 비행을 하여 한 쌍의 Synthetic Aperture Radar (SAR) 영상을 동시에 취득할 수 있다. TanDEM-X Mission 목적은 간섭기법(Radar Interferometry)을 이용하여 균일한 품질과 높은 정확도를 가진 WorldDEM을 생성하고자 한다. 2011년부터 2013년 사이에 bistatic 모드, HH편파로 촬영된 SAR 영상을 이용하여 전 세계 DEM을 생성하였다. 2016년부터 전 세계 TanDEM-X DEM을 제공하고 있으며, 2019년부터 Global DEM Change 미션을 시작하여, 새로운 DEM을 생성하고 있으며, DEM 차이를 이용하는 연구에 활용하기 위해 계획 중에 있다.

2) TanDEM-X Science Phase

TanDEM-X Science Phase 미션은 성공적으로 DEM 미션을 수행한 후, 2014년 10월부터 2015년 12월까지 수행되었다. 이 기간 동안 갯벌 연구를 포함한 다양한 과학적 목적을 위해 TanDEM-X 위성을 운용하였다. Stripmap, Spotlight, Staring Spotlight, ScanSAR에서 Wide ScanSAR 모드까지 모든 이미지 모드를 데이터 수집을 위해 선택 할 수 있다. TanDEM-X Science Phase 중 2014년 10월부터 2015년 2월까지 pursuit monostatic mode, 2015년 3월부터 12월까지는 bistatic mode로 작동하였다(Fig. 2). 미션 시작과 함께 두 위성 간의 기선거리를 점차적으로 증가시켰으며 9월부터는 기선거리를 급격히 줄여 제로 베이스라인을 형성하였다. 갯벌에서는 기선거리가 큰 상태에서 획득된 자료가 필요하며, TanDEM-X Science Phase 기간 중 선택하여 분석한다. 조위 정보를 활용하여 갯벌의 노출 정도를 확인하고 TanDEM-X 자료를 확보하고자 한다.

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Figure 2

Mission Plan of TanDEM-X Science Phase

GEODATA-4-1-37_F2.tif

3.2. 갯벌 DEM 제작

본 연구에서는 갯벌 DEM을 제작하기 위하여 간섭기법(Radar Interferomery)을 활용하였다. Interferometric SAR기술은 두 장의 복 소수 형태의 SAR 영상을 차분하여 위상을 연구하는 방법으로 간섭기법은 넓은 지역 DEM을 생성할 수 있는 특징을 가지고 있다. 긴 기선거리를 필요로 하는 것과 DEM의 공간해상도, 긴밀도 등은 DEM의 수직 정밀도를 결정하는 요소가 될 수 있다. 일반적인 DEM 제작에 사용하는 기선거리 자료를 활용하지 못하는 이유도 수직 정밀도가 갯벌 연구에 필요한 기준에 미치지 못하여 특정 자료를 필요로 하는 이유가 될 수 있다.

간섭계 모드는 TerraSAR-X 및 TanDEM-X의 이미징 모드(Stripmap, Spotlight, ScanSAR 등)와 결합되었다. 본 연구 지역인 강화도 갯벌의 DEM 제작 과정에서는 Spotlight (SL) 모드를 활용하였다. SL모드는 10x10 km의 면적을 가지며 방위각 해상도는 단일 편광을 활용한 1.7 m이다. SL Imaging기술은 방위각의 공간분해능을 향상시키기 위해 방위각의 방향을 따라 단계별 배열 빔 스티어링을 사용하지만 방위각 길이는 5-10 km로 제한된다. 각 모드에 관한 자세한 데이터 분석 결과는 Lee et al. (2017)에서 확인 가능하다.

이러한 이론을 바탕으로 하여 2015년 1월 31일에 촬영된 TerraSAR-X및TanDEM-X영상을 간섭기법, 파라메타분석 등을 활용한 가공 과정을 통해 강화도 지역 갯벌 DEM 영상을 제작하였다. 공간해상도는 7 m, 픽셀 샘플링 1 m, UTM좌표를 사용하며 파일 포맷은 GEOTIFF(.tif) 형태이다(Table 1).

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Table 1

Information of TanDEM-X data used for Tidal Flat DEM

GEODATA-4-1-37_T1.tif

3.3. DEM 기반 지형도 제작

제작된 강화도 갯벌 DEM을 기초로 하여 ArcGIS, QGIS, SAGAGIS 등 프로그램을 통해 갯벌 조류로, 조류로밀도도, 경사도를 제작할 수 있다. 조류로는 지리 정보 시스템(GIS) 소프트웨어를 위한 지리 공간 벡터 데이터 형식인 Shape(.shp) 파일 형태로 생성되며, 조류로 밀도도 와 경사도는 GEOTIFF(.tif) 파일 형태로 생성되었다. 조류로는 조석에 의해 양방향으로 해수가 이동하게 됨으로 조간대 여러 환경 특성을 반영하여 복잡한 메커니즘에 의해 형성된다. 조류로 밀도도는 단위 면적당 조류로의 밀도를 나타내며, 갯벌 지표 퇴적물을 연구하는데 중요한 정보라 할 수 있다. 갯벌은 완만한 지형이지만 정밀한 고해상도 DEM을 이용하여 갯벌 경사도 제작이 가능하다. 갯벌 경사도는 경사의 정도에 따른 조류로의 분포, 형태 등을 분석하는데 유용한 자료로 사용할 수 있다.

4. 결과

본 연구는 인공위성의 영상을 활용하여 Fig. 2 과 같은 자료를 생성하였다. (a)-(d)는 TanDEM-X를 활용하여 생성한 강화도 갯벌 데이터이다. Fig. 2는 (a) DEM, (b) 조류로, (c) 조류로밀도도, (d) 경사도 데이터를 이미지로 나타낸 것이다.

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Figure 3

Satellite Data image of Ganghwa Tidal Flat using TanDEM-X (a) DEM; (b) Tidal Channel; (c) Tidal Channel Density; (d) Slope

GEODATA-4-1-37_F3.tif

5. 결론 및 토의

본 연구에서는 TanDEM-X를 통해 만들어낸 DEM을 기반으로 하여 강화도 갯벌의 고해상도 데이터를 추출하였다. Spotlight (SL) mode TanDEM-X 이미지를 통해 생성된4종의 데이터는 강화도지역의 갯벌 환경 분석에 기초적인 자료로 연구기관, 대학, 기업체, 어촌계 등에서 연구/학습용, 사업용 등으로 활용할 수 있다. 갯벌에 대한 위성영상 분석 데이터를 신규로 구축 및 서비스화 하였다. 자료의 접근성 강화를 통하여 하구 습지 보전 및 복원 기회를 확산시킬 수 있다. 추가적인 연구를 통하여 더 광범위한 면적을 설정하여 갯벌 데이터를 생성해 갯벌 생태계나 갯벌 지형의 분석 및 관측에 도움이 되는 정량적인 분석 데이터를 추가적으로 생성하는 연구가 필요하다. 이러한 원격탐사를 통한 연구가 계속해서 진행되어 단시간에 넓은 범위 지역의 높은 정확도를 보이는 결과를 가져오는데 도움이 될 것이라고 기대해본다. 지속적인 데이터 축적으로 갯벌 환경의 변화에 대한 모니터링에 빅데이터로 제공될 것이다.

6. 사사

이 논문(윤가람 외)은 2022년도 한국연구재단의 동아시아 지역 블루카본 측정과 3 차원 공간분포 연구 과제의 지원을 받아 연구되었음(CD202102860001)

이 논문(윤가람 외)은 2021년도 한국해양과학기술원(KIOST)의 인공위성 기반 고해상도 갯벌 지형도 제작 사업의 지원을 받아 연구되었음

7. 참고문헌

Hwang DJ et al. (2020) Precise Topographic Change Study Using Multi-Platform Remote Sensing at Gomso Bay Tidal Flat. Korean J Remote Sens 36(2):263-275

Lee SK, Ryu JH (2017) High-accuracy tidal flat digital elevation model construction using TanDEM-X science phase data. IEEE J Sel Top Appl Earth Obs Remote Sens 10(6): 2713-2724 https://doi.org/10.1109/JSTARS.2017.2656629

Lee J et al. (2021) A Study on the Possibility of Short-term Monitoring of Coastal Topography Changes Using GOCI-II. Korean J Remote Sens 37(5_2):1329–1340

Ministry of Oceans and Fisheries (2013) The basic survey of coastal wetland in 2012. Ministry of Oceans and Fisheries, Sejong, Republic of Korea (in Korean)

8. 데이터셋에 대한 메타데이터