Baekdu Volcano Lake "Chun-ji" Ice Dynamic Monitoring Using TerraSAR-X Satellite Imagery

TerraSAR-X 위성영상을 활용한 백두산 천지 얼음 면적 변화 모니터링

Abstract

The caldera lake "Chun-ji" is located at the summit of Baekdu volcano, which is in the border of China and North Korea. Chun-ji Lake has altitude 2,189 m above sea level. The Chun-ji is freezing in the winter when the water temperature goes down to zero for a year, and it melts in the season when the water temperature goes up again. However,since it is located at a high altitude, there are many cloudy days, and it is difficult to observe with optical images. For this reason, radar images, which are less influenced by weather than optical images, are more effective for observing the ice of heaven and earth. In this study, 75 TerraSAR-X images from chun-ji area were used for analysis from 2015 to 2017, and the calculated ice area and temperature changes were analyzed. As a result, the ice of the caldera lake formed was formed in early December and slowly melted until mid-April. During this period, temperatures in the Samjiyeon area were about $-10^{\circ}C$ when ice was produced, and the temperature was about $0^{\circ}C$ in mid-April when it was thawing. Correlation coefficients between ice surface area and temperature in winter 2015 and 2016, where global ice is produced,show a high correlation of -0.82 and -0.75. In addition to the results of this study, it can be used as an indicator to monitor the volcanic activity by comparing the result of the recent volcanic activity with the result of the increase in water temperature using various imagery.

중국과 북한 국경에 있는 백두산 정상의 칼데라 호수인 "천지"는 2,189 m의 고도에 위치한다. 천지는 1년동안 수온이 영하로 내려가는 겨울철에는 얼고 다시 수온이 영상으로 올라가는 계절에는 녹는 것을 반복한다. 하지만 높은 고도에 위치한 탓에 흐린 날이 많아 광학 영상으로는 관측에 어려움이 있다. 그렇기 때문에 천지의 얼음 관측에는 광학 영상보다 날씨에 영향을 덜 받는 위성레이더 영상이 더 효과적이다. 본 연구에서는 2015년에서 2017년까지 천지 지역의 TerraSAR-X 영상 75장을 분석에 사용하고 계산된 얼음 면적과 기온 변화를 분석했다. 그 결과, 형성된 칼데라 호수의 얼음은 12월 초에 생성되어 4월 중순까지 천천히 녹았다. 이 기간 동안 삼지연 지역의 기온은 얼음이 생성되었을 때 약 $-10^{\circ}C$였고, 해빙될 시기인 4월 중순에는 기온이 약 $0^{\circ}C$였다. 천지의 얼음이 생성되는 2015년과 2016년 겨울철의 얼음의 면적과 기온의 상관계수는 -0.82와 -0.75의 높은 상관성을 보였다. 본 연구결과와 함께 이 후 다양한 영상자료를 활용하여 최근 화산활동으로 인해 수온이 상승했을 시기의 결과와 비교분석한다면 화산활동을 모니터링 할 수 있는 지표로 활용될 수 있을 것이다.

1. 서론

백두산은 북위 41° 59′ 34″N 동경 128° 04′ 39″E에 위치하고 있으며 최고봉의 고도는 약 해발 2750 m이다. 이 지역의 연평균 기온은 6-8°C이며, 최고 기온은 18-20°C, 연평균 상대 습도는 74%이다. 백두산지역의 기후는 우리 나라와 마찬가지로 여름에는 덥고 습기가 많으며 겨울에는 건조하고 춥다. 특히 계절에 따라 순간최대풍속 40 m/s의 강한 바람이 북서풍과 남서풍으로 발생한다 (Yun and Oh, 2014). 이 백두산 정상에 있는 칼데라호수천지의 장경은 4.4 km이고, 단경은 3.7 km, 면적은 9.82km², 고도는 2189 m, 최대 깊이는 374 m, 저수량은 약 20억 톤이다(Suh et al., 2013).

2002년부터 2006년 사이에 백두산에서 많은 화산활동이 관측되었다(Wu et al., 2005; Yun et al., 2012). 특히, Ri et al.(2016)의 연구에서 지진파의 속도차이를 분석하여 백두산 내부에 큰 마그마방의 존재를 밝힌 바 있다. 화산 활동이 시작되면 마그마방이 상승하여 내부의 뜨거운 마그마가 지표에 영향을 미쳐 주변 수온을 상승시킨다. 따라서, 화산지역의 수온을 분석하여 화산활동을 모니터링 할 수 있다.

천지와 같이 호수가 있는 넓은 지역은 정보를 얻기 위해 현장조사를 통한 시간과 노력이 많이 필요하다. 하지만, 중국과 북한의 경계에 위치하고 있으며, 고산지대라는 지리적 특성으로 인해 천지의 현장 조사에는 많은 한계점이 있다. 이러한 지역에 원격탐사 방법을 적용하면 기상 관측소의 공간적, 시간적 단점을 보완하여 현장에 직접 가지 않고도 많은 정보를 얻을 수 있다. 일반적으로 지형변화 탐지에 있어서는 광학위성과 레이더위성이 활용되고 있다. 하지만 광학 위성은 연구 지역의 기상현상에 많은 영향을 받는 취약점이 있지만 레이더 위성은 전천후에 영향을 받지 않기 때문에 지형변화탐지를 하기 위해서는 레이더 위성이 더욱 효과적이다.

얼음과 물에 있어서 얼음은 상대적으로 강한 후방산란을 나타내지만 물은 대부분의 신호를 반사할 수 없기 때문에 산란 강도를 비교하는 얼음 탐지법은 얼음을 모니터링하는 데 매우 좋은 방법이 될 수 있다(Han and Lee, 2007; Antonova et al., 2016). 위성레이더 영상에서 탐지되는 얼음도 종류에 따라 후방산란 효과가 다르게 나타난다. 물 위에 떠있는 얼음의 경우 물과 얼음 사이에 강한 대비가 있어 비교가 쉽다(Antonova et al., 2016). 과거 물과 얼음의 대비를 연구한 결과에 따르면(Morris et al., 1995; Brown et al., 2010; Jones et al., 2013), 공통적으로 물과 얼음 사이의 계면에서 후방 산란이 발생함을 보여준다. 만약 추운 날씨가 계속되고 얼음이 호수 바닥까지 도달하면, 호수 하층에 퇴적된 퇴적물에 의해 후방 산란 강도가 현저히 낮아진다. 일반적으로 호수의 얼음 면적은 계절 변화로 인한 온도 변화에 크게 영향을 받는다(Han et al., 2013; Ke et al., 2013). 그러므로 온도의 변화는 호수 내의 얼음 변화를 나타내는 좋은 지표가 될 수 있다.

이러한 이유로, 본 연구는 겨울철 천지의 얼음의 면적과 기온 변화를 비교하여 얼음과 기온 간의 상관성을 분석하고자 한다. 본 연구에서는 2015년부터 2017년까지의 75장의 TerraSAR-X 영상을 이용하여 천지의 얼음변화를 모니터링하고 북한의 삼지연 지역의 기온과 상관성을 분석했다.

2. 연구방법

본 연구에서는 2015년부터 2017년까지 75장의 TerraSAR-X 위성영상을 분석했다. 사용된 영상은 Spotlight mode로 Ascending 방향으로 입사각이 약 42.1°인 VV 편광 영상이다. 원래 영상은 약 1 m의 공간해상도를 갖지만, 본 연구에는 9-look의 멀티룩 과정을 거친 9 m 공간해상도의 강도(Intensity)영상으로부터 얼음을 관측하였다. 전체 75장의 영상 중 얼음으로 판단되는 영상을 1차 분류하였다. 또한, 해당 날짜의 기온과 비교하여 계절에 따른 온도 변화로 인한 얼음 이외의 다른 요인으로 얼음이 생성된 것으로 의심되는 영상은 해당 날짜의 기온과 유사한 날짜의 Sentinel-2 영상과 비교하여 선별했다. 최종적으로 얼음의 면적변화 분석에 사용된 영상은 Table 1과 같다.

Table 1. The date of the TerraSAR-X images in this study (Images used for ice dimension analysis are checked)

수집된 영상들 중 얼음으로 판단된 영상을 1차적으로 기온과의 비교를 통해 여름철이지만 갑작스럽 폭설과 같은 원인들로 인해 예외적으로 후방 산란이 강하게 나타난 경우는 연구에서 제외했다. 기온 자료를 활용하기 위해서는 백두산 천지 주변 정상부의 기온자료가 필요하지만, 백두산 정상부의 기온 자료는 입수하기가 어렵기 때문에 기상청이 제공하는 백두산 주변 삼지연 지역의 과거 기온 자료와 비교했다. 백두산 천지와 삼지연 지역과의 직선거리는 약 32 km이며, 천지의 고도는 약 2189 m지만 삼지연 지역의 고도는 약 1380 m로 800m의 고도차이가 있다(Fig. 1).

Fig. 1. Location of study area (Chun-ji and Samjiyeon).

연구에 사용하기 위해 수집한 영상의 획득 기간 동안 온도 변화는 Fig. 2과 같다. 연구 기간 내 삼지연 지역의 최고 온도는 20°C, 최저 온도는 -26°C였으며 평균기온은 약 2.2°C였다. 이 기간 중 기온이 영하로 내려가는 시기는 10월 중순에서 이듬해 3월 말 정도이다. 따라서 1차적으로 이 기간이 기온 하강에 의한 얼음이 생성될 조건으로 판단했다.

Fig. 2. Temperature changes in Samjiyeon area (June 1, 2015 to August 12, 2017).

처음 기온 조건에서 일반적으로 물의 어는점은 0°C이기 때문에, 최소한 기온이 0°C 아래로 떨어질 때 얼음이 생성되는 조건으로 생각했다. 그러나 기온자료를 얻을 수 있는 삼지연에 비해 백두산 천지부근은 약 800 m정도 고도가 높은 지역으로, 이 차이로 인해 다른 조건이 같다면 실제 천지 주변부의 기온은 삼지연의 온도보다 낮은 것으로 간주했다. 삼지연의 기온변화도를 이용해 영상에서 얼음이 생성되는 것이 기온 강하로 인한 것인지에 대한 여부를 고려할 수 있었다.

기온변화를 고려하여 얼음 면적 분석에 이용된 기간은 2015년 12월부터 2016년 4월까지를 2015년 겨울철, 2016년 12월부터 2017년 4월까지를 2016년 겨울철로 두 기간으로 분류했다. 사용된 영상들은 레이더 좌표에서 지리 좌표로 변환할 때 발생할 수 있는 오류를 최소화하기 위해 9-look의 멀티룩 만을 수행한 강도영상을 분석의 편이를 위해 8비트 자료로 변환했다. 변환된 영상은 연구지역의 집중을 위해 천지를 제외한 지역은 마스킹 처리를 하여 분석을 진행했다. 이 때, Fig. 4의 결과와 같이 물과 얼음의 경계선을 뚜렷하게 구별할 수 있는 기준 픽셀 값은 100이었으며, 물과 얼음의 경계가 큰 차이를 보였다. 이 값을 기준으로 물과 얼음의 경계선을 추출했다(Kim et al., 2018). 경계선 내의 얇은 얼음의 두께로 인해 물로 분류되었더라도, 경계선 내의 영역은 얼음으로 간주하였다. 이 후, 신호잡음에 의해 생긴 오류는 직접 확인하여 수정하는 과정을 거쳤다. 추출된 경계선을 기준으로 경계선 내의 픽셀의 개수를 산출하여, 영상의 공간해상도와 비교하여 얼음의 면적을 계산하였다. 얼음의 면적과 기온과의 상관성 분석을 위해 두 변수 사이의 상관계수 γ를 계산했다. 상관계수 γ는 식(1)을 통해 계산된다(Egghe and Leydesdorff, 2009).

\(\gamma=\frac{\sum(x-\bar{x})(y-\bar{y})}{\sqrt{\sum(x-\bar{x})^{2}(y-\bar{y})^{2}}}\)             (2)

x, y는 각각 변수의 값을 나타내며, –x, –y는 각 변수집합의 표본평균을 나타낸다. 상관계수는 -1부터 1의 값을 가지며 절대값이 클수록 두 변수 간의 높은 상관관계가 있고, 값이 0에 수렴할수록 두 변수 간의 상관관계는 낮아진다. 상관계수가 양의 부호를 나타내면 두 변수가 양의 상관관계임을 나타내고 음의 부호일 경우 음의 상관관계임을 나타낸다.

3. 연구결과

연구 기간 동안 기온 강하에 의해 천지에서 얼음이 생성된 기간은 2015년 12월 5일부터 2016년 4월 15일까지, 그리고 2016년 12월 2일에서 2017년 4월 13일 사이에 일어났다. 흥미로운 점은 북반구에서 충분히 높은 기온을 보이는 2016년 6월 9일 영상(Fig. 3(a))과 2017년 5월 27일 영상(Fig. 3(c))에서 얼음으로 추정되는 신호가 감지되었다.

Fig. 3. SAR images are suspected as ice in melted season (radar coordinated and flipped image) and sentinel-2 true color image; (a) June 9, 2016(SAR image), (b) June 10, 2016 (sentinel-2 image), (c) May 5, 2017 (SAR image), (d) May 03, 2017 (sentinel-2 image).

당시 삼지연의 기온은 각각 11.9°C, 9.3°C이다. 삼지연과 천지의 고도 차이를 고려한다 해도 기온 하강으로 인한 얼음일 것이라는 판단이 어렵다. 이러한 위성레이더 영상만으로 판단하기 어려운 영상을 광학 위성 영상과 함께 분석했다(Nolan et al., 2003). 비교 분석에는 비슷한 날짜에 촬영된 Sentinel-2 영상을 사용했다(Fig. 3(b), 3(d)). Fig. 3(b), 3(d)는 여름철에 TerraSAR-X 영상에서 관측된 얼음의 촬영 날짜와 유사한 날짜의 Sentinel-2 영상이다. 영상에서 볼 수 있듯이, 기온 하강으로 생성된 얼음은 아니지만 그 당시 폭설로 인해 내린 눈이 천지 표면에 얼음층을 형성했고 그 얼음층 위에 두터운 눈이 쌓였다. 이런 폭설이 일시적으로 눈과 물 사이에 경계를 형성해 이 경계면에서 후방 산란이 일어난 것을 광학위성영상과 비교하여 확인했다. 얼음이 천천히 사라지는 겨울철 영상과 다르게 모니터링 된 얼음이 일시적으로 감지되어 11일 뒤 영상에서 바로 사라지는 이 영상의 특징을 일시적 폭설로 설명할 수 있다(Rott and Nagler, 1994; Konig et al., 2001).

위와 같은 영상들을 제외하고 겨울철에 촬영된 26장의 영상은 연구지역 집중을 위해 천지를 제외한 지역은 마스킹 처리가 되었고, 얼음의 변화는 다음과 같은 특징을 보인다(Fig. 4). 2015년과 2016년 모두 12 월 초순에 갑자기 호수 전체가 얼어붙어 넓은 얼음 면적 분포를 보였으나(Weeks et al., 1977; Jeffries et al., 1994) (Fig. 4(a), (c)) 이후, 해빙되는 패턴에서 다른 결과를 보였다. 2015년 겨울의 얼음 면적은 온도가 상승함에 따라 4월까지 점차 감소하여 4월 중순이 되자 대부분의 얼음이 녹았다(Fig. 4(b)). 하지만, 2016년 겨울의 얼음 면적 변화 양상은 달랐다. 2015년과 2016년 기온의 변화는 서로 비슷하였지만 2017년 4월 13일 영상과 같이 평균적으로 2016년 겨울철의 얼음의 면적이 더 넓게 나타났다. 얼음 면적의 오분류 가능성을 확인하기 위해 직후 영상인 2017년 4월 24일 영상에서 얼음으로 판단되는 신호는 확인되지 않았으며, 광학영상의 결과도 같았다. 이를 보아 아주 얇고 넓게 퍼져있던 얼음이 기온 상승에 따라 동시에 해빙되었을 것으로 판단된다. 이러한 해빙 패턴의 차이를 발생시킨 환경적 요인으로 고려되는 것은 평균온도의 차이, 해빙시기 날씨에 따른 일조량의 차이, 바람의 영향 등이다.

Fig. 4. The masked area in 2015 and 2016 (radar coordinated and flipped image), ice boundary (yellow line); (a) ice frozen, December 10, 2015, (b) ice melted April 15, 2016, (c) ice frozen, December 2, 2016, (d) ice melted April 13, 2017.

이 때, 얼음이 생성된 시점에서부터 녹은 시점까지의 26장의 영상에서 산출된 얼음의 면적 영상 촬영기간과 같은 기간의 기온 변화와의 상관계수를 계산하여 비교했다(Table 2, Fig. 5). Table 2는 2015년 겨울철과 2016년 겨울철의 영상에서 산출된 면적과 영상의 촬영 일자의 기온의 변화를 나타낸 것이다. 이와 함께 Fig. 5은 Table2의 결과를 바탕으로 도식화한 것으로 두 기간에 대한 상관계수와 함께 표현했다. Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)는 얼음 면적 분석 결과와 삼지연 지역의 기온을 도식화한 것으로 2015년 겨울철의 얼음 면적은 2016년 2월 9일 영상에서 약간 커진 것을 제외하면 기온이 상승함에 따라 점점 감소함을 확인했다. 2016년 겨울철의 얼음 면적은 2015년 겨울철에 비해 큰 변화는 아니지만 마찬가지로 기온이 상승함에 따라 얼음의 면적이 감소했다. 2015년 겨울철 얼음의 최대면적과 최소면적의 차이는 약 2 km2이며, 2016년 겨울철은 약 0.9 km2로 2배 가까이 차이가 발생했다. 같은 기간 최대 온도편차는 각각 27.1°C, 20.9°C였다. 두 기간의 얼음의 면적 차이에 비해 온도 편차의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 이 결과는 각 기간의 해빙 패턴이 다른 데서 오는 차이라고 판단된다. 2015년 겨울의 얼음은 영상에서 경계선 내의 얼음에서도 뚜렷하게 밝게 관측되어 두꺼운 얼음이 가장자리부터 녹았을 것으로 보인다. 반면에 2016년 겨울의 얼음은 경계선 내의 얼음이 상대적으로 어두운 색으로 나타나는 것으로 보아 상대적으로 얇은 얼음이 넓게 퍼져있었고, 기온이 상승함에 따라 두께가 점점 얇아지는 해빙 패턴으로 보인다. 이 두가지 해빙 패턴에 대해 얼음의 면적과 기온의 상관관계를 정량적으로 비교하기 위해 식 (1)을 사용하여 두 기간에 대한 상관계수를 계산하고 Fig. 5(c)와 Fig. 5(d)에 도식화했다. 2015년 겨울철의 얼음 표면적과 기온의 상관 계수는 -0.82이며, 2016년 겨울철 상관 계수는 -0.75이다. 이것은 얼음 면적과 기온이 음의 상관 관계(negative correlation)가 높게 나타나고 있음을 파악할 수 있다. 이것을 통해 기온, 나아가서 수온과 얼음 면적 간의 높은 상관성을 확인했다.

Table 2The dimension of ice in each image and the temperature of the samjiyeon at that time

Fig. 5. Chun-ji ice dimension and temperature in Samjiyeon area; (a) ice dimension and temperature in 2015 winter, (b) ice dimension and temperature in 2016 winter, (c) Trend of ice dimension and temperature in 2015 winter, (d) Trend of ice dimension and temperature in 2016 winter.

4. 결론

본 연구에서는 2015년부터 2017년까지의 TerraSAR-X 위성레이더 영상을 이용하여 백두산 정상의 칼데라 호수인 천지의 빙결된 얼음의 크기를 관측하였다. 본 연구는 위성 영상을 통한 정량적 분석으로, 위성레이더 영상에서 얼음 면적이 변하는 것을 관측하였다. 연구기간 동안 일반적인 겨울철과 달리 예외적으로 여름철임에도 불구하고 위성레이더 영상에서 얼음을 일시적으로 관측할 수 있었다. 이 일시적인 얼음은 광학 위성인 Sentinel-2 영상과의 교차분석 결과, 폭설로 인해 누적된 눈의 반사된 신호가 얼음과 비슷한 신호를 보였음을 판단할 수 있었다. 이러한 일시적인 변화를 제외하고, 일반적으로 겨울철 기온 하강으로 인해 얼음이 생성된 것으로 판단되는 영상을 선택했다. 2015년과 2016년 사이와 2016년과 2017년 사이의 겨울에서 각각 13장의 영상 (총 26장)에서 얼음의 면적을 계산했다. 2015년 겨울에는 천지 전체가 얼어붙어 해빙기인 4월 중순에 이르러 거의 대부분의 얼음이 녹는 것을 확인했고, 2016년 겨울에는 역시 천지 전체가 얼어붙었으나 해빙 직전인 4월 중순에도 넓은 면적의 얼음을 유지하는 모습을 보였다. 이것은 비슷한 온도일지라도 날씨나, 바람 등의 다양한 환경적 요인에 의해 얼음의 면적이 변화할 수 있음을 보였다. 이 결과와 함께 백두산 인근 지역인 삼지연의 기온과 산출된 면적을 비교하여 상관 관계를 분석했다. 2015년 겨울철의 얼음의 면적과 기온의 상관계수는 -0.82이며, 2016년 겨울철의 상관계수는 -0.75로 나타났고, 이를 통해 얼음 면적과 온도는 매우 높은 음의 상관 관계가 있음이 확인되었다. 본 연구에서는 삼지연 지역의 기온과 백두산 천지의 얼음의 면적만을 비교하였으나, 온도 외에도 바람과 같은 얼음의 결빙과 해빙을 결정하는 환경적 요인이 다양하다. 추후 연구에서는 이러한 환경적 요인과 함께 분석이 필요할 것이다. 본 연구에서는 2년간의 자료밖에 사용되지 못하였으나, 레이더 위성에서 관측된 얼음의 면적과 기온간의 상관성을 다양한 위성영상을 통해 2000년 이후 백두산의 화산활동이 있었던 기간을 포함하여 장기간의 시계열 분석을 한다면 화산활동을 모니터링할 수 있는 지표로 활용될 수 있을 것이다.