Analysis of Co- and Post-Seismic Displacement of the 2017 Pohang Earthquake in Youngilman Port and Surrounding Areas Using Sentinel-1 Time-Series SAR Interferometry

Sentinel-1 시계열 SAR 간섭기법을 활용한 영일만항과 주변 지역의 2017 포항 지진 동시성 및 지진 후 변위 분석

Abstract

Ports are vital social infrastructures that significantly influence both people's lives and a country's economy. In South Korea, the aging of port infrastructure combined with the increased frequency of various natural disasters underscores the necessity of displacement monitoring for safety management of the port. In this study, the time-series displacements of Yeongilman Port and surrounding areas in Pohang, South Korea, were measured by applying Permanent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar (PSInSAR) to Sentinel-1 SAR images collected from the satellite's ascending (February 2017-July 2023) and descending (February 2017-December 2021) nodes, and the displacement associated with the 2017 Pohang earthquake in the port was analyzed. The southern (except the southernmost) and central parts of Yeongilman Port showed large displacements attributed to construction activities for about 10 months at the beginning of the observation period, and the coseismic displacement caused by the Pohang earthquake was up to 1.6 cm of the westward horizontal motion and 0.5 cm of subsidence. However, little coseismic displacement was observed in the southernmost part of the port, where reclamation was completed last, and in the northern part of the oldest port. This represents that the weaker the consolidation of the reclaimed soil in the port, the more vulnerable it is to earthquakes, and that if the soil is very weakly consolidated due to ongoing reclamation, it would not be significantly affected by earthquakes. Summer subsidence and winter uplift of about 1 cm have been repeatedly observed every year in the entire area of Yeongilman Port, which is attributed to volume changes in the reclaimed soil due to temperature changes. The ground of the 1st and 2nd General Industrial Complexes adjacent to Yeongilman Port subsided during the observation period, and the rate of subsidence was faster in the 1st Industrial Complex. The 1st Industrial Complex was observed to have a westward horizontal displacement of 3 mm and a subsidence of 6 mm as the coseismic displacement of the Pohang earthquake, while the 2nd Industrial Complex was analyzed to have been little affected by the earthquake. The results of this study allowed us to identify the time-series displacement characteristics of Yeongilman Port and understand the impact of earthquakes on the stability of a port built by coastal reclamation.

항만은 국민의 생활과 국가의 경제에 큰 영향을 미치는 사회기반시설로, 최근 인프라의 노후화율이 증가하고 다양한 자연재해가 빈번하게 발생하고 있어 안전 관리를 위한 항만의 변위 모니터링이 필수적이다. 이 연구에서는 포항 영일만항과 주변 지역에 대해 Sentinel-1 위성의 상향(2017년 2월-2023년 7월) 및 하향(2017년 2월-2021년 12월) 궤도 관측에서 획득된 영상레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR) 자료에 고정산란체 레이더 간섭기법(Permanent Scatterer Interferometric SAR)을 적용하여 시계열 변위를 산출하였고, 2017년 11월에 발생한 포항 지진에 의한 변위를 분석하였다. 영일만항의 남부(최남단 제외)와 중앙부는 관측 초기에 약 10개월 동안 건설 활동에 기인하는 큰 변위를 보였으며, 포항 지진의 동시성 변위로 서쪽방향으로 최대 1.6 cm의 수평 움직임 및 0.5 cm의 침하가 발생하였다. 반면 매립이 가장 늦게 완료된 항만 최남단과 가장 오래된 항만 북부에서는 포항 지진에 의한 변위가 거의 관측되지 않았다. 이는 항만 매립토의 고결화가 약할수록 지진에 더욱 취약하며, 매립이 진행 중이어서 흙의 고결화가 매우 약한 경우는 오히려 지진에 크게 영향을 받지 않음을 지시한다. 영일만항 전역에서는 온도 변화에 따른 매립토의 체적 변화에 기인한 1 cm 내외 수준의 여름철 침하 및 겨울철 융기 현상이 매년 반복적으로 관측되었다. 영일만항에 인접한 제1, 제2일반산업단지의 지반은 관측 기간 동안 침하하였고, 침하 속도는 제1일반산업단지에서 더 빨랐다. 제1일반산업단지는 포항 지진 동시성 변위로 서쪽 방향으로 3 mm의 수평 움직임과 6 mm의 침하가 관측되었으나, 제2일반산업단지는 포항 지진에 영향을 거의 받지 않은 것으로 분석되었다. 이 연구의 결과를 통해 영일만항의 시계열 변위 특성을 파악할 수 있었고, 해안에 매립을 통해 건설된 항만의 안정성에 지진이 미치는 영향을 이해할 수 있었다.

1. 서론

항만은 선박의 안전한 출입 및 정박, 계류를 위한 천연 또는 인공의 시설로 지역 및 국가 경제활동에 중추적인 역할을 하는 인프라이다. 우리나라는 수출입 화물의 대부분을 해상 운송으로 유통하고 있어 무역 산업에서 항만의 의존도가 높다(Lee and Noh, 2018). 국제적으로 에너지 및 자원 개발 산업의 선점을 위해 해양플랜트 및 해상 풍력발전에 관심이 증대되면서 항만의 중요성은 더욱 높아졌으며, 해양산업 클러스터 기반 마련 및 항만 재개발을 위한 항만 배후단지 축조사업이 추진되는 등 항만인프라의 지속적 활용과 확충을 위한 다양한 사업이 국가 정책을 기반으로 진행되고 있다. 항만의 사회적, 경제적 중요성이 높아짐에 따라 인프라의 안정성 문제 또한 부각되고 있는데, 항만의 안정성에는 태풍, 폭풍 해일 등의 기상재해뿐만 아니라 지진 및 지진해일과 같은 지질재해가 매우 큰 영향을 미칠 수 있다. 1993년 7월 12일에 일본 훗카이도 해역에서 발생한 모멘트 규모(Mw) 7.7의 지진은 파고 30 m 이상의 대형 쓰나미를 동반하여 항만산업에 막대한 경제적 손실을 초래하였으며(Shuto and Matsutomi, 1995), 이때 발생한 쓰나미는 우리나라 동해안까지 영향을 미쳐 속초에서 파고 2.76 m의 해일이 관측되기도 하였다(Choi et al., 2002).

이외에도 2004년 12월 26일에 발생한 Mw 9.3의 인도네시아 수마트라-안다만 지진은 항만 시설을 파괴시켜 국가 경제에 악영향을 미쳤으며(Martin, 2005; Tobita et al., 2006; Ha et al., 2007), 1995년 1월 17일에 일본의 항구 도시인 고베에서 발생한 Mw 6.9의 지진은 항구에 존재하는 대부분의 부두 시설과 컨테이너 선석을 붕괴시켜 막대한 경제적 손실을 초래하였다(Werner and Dickenson, 1997). 항만은 운송 및 선적과 같은 시설의 특수성으로 인해 지진에 의한 물리적 피해 규모가 작더라도 상당한 경제적 손실이 발생할 수 있으므로 지진에 의한 인프라의 안정성 변화 파악이 매우 중요하며, 이를 위해서는 항만에 대한 지속적인 변위 모니터링이 필수적으로 수행되어야 한다.

항만인프라의 안정성은 변위 관측을 통해 분석될 수 있다. 변위를 측정하는 방법으로는 현장에 설치되어 있는 경사계, 침하계, 신장계 등의 계측 장비와 범지구 위치결정시스템(Global Positioning System, GPS) 및 범지구 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)과 같은 측위 장비를 통해 수행될 수 있다(Calcaterra et al., 2012; Lingyun et al., 2014; Komac et al., 2015). 이와 같은 변위 관측 장비들은 정밀한 변위를 측정할 수 있으나 장비 설치 위치에 대한 정보만을 제공하기 때문에 넓은 영역의 항만에 대해서는 활용이 제한적일 수 있으며 경제적 제약이 수반될 수 있다.

영상레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)는 주야 및 기상 조건과 관계없이 넓은 영역에 대해 고품질의 지표영상을 획득할 수 있기 때문에 높은 범용성을 가진다. 동일한 영역에 대해 획득된 2장 이상의 SAR 영상으로부터 위상 차이를 계산하는 레이더 차분간섭기법(Differential Interferometric SAR, DInSAR)은 변위를 수 mm 정밀도로 관측할 수 있어 현장 계측 장비가 가지는 제약점을 보완할 수 있다. 그러나 DInSAR로 관측한 변위는 대기에 의한 위상 지연 효과, 지형 고도 자료의 부정확성, 인공위성 궤도 정보의 부정확성 등에서 기인된 오차로 인해 정밀도가 낮아질 수 있다. 또한 변위가 시간에 따라 크기와 방향이 변화하거나 단기간에 미세한 수준으로 발생하는 경우 이에 대한 탐지가 어렵다.

반면, 다중 시기 SAR 영상을 활용하는 시계열 레이더 차분간섭기법은 단일 DInSAR에 비해 변위 관측 오차 성분을 효과적으로 제거할 수 있고(Ferretti et al., 2001), 관심 영역에서 장기간에 걸쳐 발생하는 변위의 시계열 분석에 효과적이다(Ferretti et al., 2000; Berardino et al., 2002). 대표적인 시계열 변위 관측 기법인 고정산란체 레이더 간섭기법(Permanent Scatterer InSAR, PSInSAR)은 강하고 일정한 후방 산란을 보이는 산란체의 시계열 변위를 정밀하게 관측할 수 있어 인공 구조물이 많은 지역의 변위를 관측하는데 유용하다. PSInSAR 기법은 항만 등의 해양 인프라 및 구조물에서 발생하는 변위를 탐지하는데 활발히 사용되어 오고 있다(Lan et al., 2013; Cian et al., 2019; Kim et al., 2007).

2017년 11월 15일 경상북도 포항시 홍해읍에서 Mw 5.4의 지진이 발생하였고, 얕은 지진 발생 심도와 연약한 지반 특성은 막대한 인명 및 재산 피해를 발생시켰다. 또한 진앙 반경 2–3 km 내의 도로, 공원, 논경지 등 100여 곳에서 액상화 현상이 발생하였다(Baek et al., 2018; Ahn et al., 2018). 2017년 포항 지진은 철강산업단지와 영일만항 등 중요 산업기반시설이 밀집된 지역과 인접한 곳에서 발생하였다. 특히 매립지인 영일만항에서는 포항 지진 이후 케이슨(caisson)에 균열이 발생하고 항만 배후지에서 침하가 발생하는 등 심각한 피해가 보고되었다(Kim et al., 2019; Lee et al., 2019). 이는 포항 지진이 영일만항 인프라의 안정성에 중대한 영향을 미쳤음을 의미하며, 항만인프라에 대한 변위의 모니터링이 필요함을 나타낸다.

이 연구에서는 영일만항과 그 주변 지역을 대상으로 Sentinel-1 위성의 상향(ascending) 및 하향(descending) 궤도에서 획득된 SAR 영상에 PSInSAR 기법을 적용하였고, 포항 지진 시기를 포함하는 시계열 변위를 산출하였다. 두 궤도 방향에서 관측된 변위를 이용하여 시계열 2차원 변위를 도출하였으며, 영일만항과 주변 지역에 대한 2017년 포항 지진의 동시성 지진 변위와 지진 후 변위 특성을 분석하였다.

2. 연구지역 및 자료

이 연구에서는 포항 영일만항과 그 주변 지역을 대상으로 시계열 변위 분석을 수행하였다(Figs. 1a, 1b). 영일만항은 연안 지역 간척을 통해 준공된 항만으로 2005년 8월 항만의 북쪽부터 착공이 시작되었다. 항만의 남쪽 부분은 준설 및 매립 공사가 2014년 시작되어 2017년에 대부분 완료되었고, 항만 영역 중에서 가장 늦게 준공되었다.

영일만항은 2019년 기준으로 국내 항만 중 6번째로 많은 12만 TEU(Twenty foot Equivalent Unit)의 컨테이너 물동량을 담당하는 대규모 항만이다. 영일만항은 약 600,000 m²의 터미널과 1,260,000 m²의 배후단지를 가지며, 2020년 12월 해양수산부에서 발표한 ‘제4차 전국 항만 기본계획’에 따르면 지역경제 활성화를 위해 2030년까지 배후단지 면적 확충 계획이 수립된 바 있다. 영일만항의 서쪽에는 약 1,940,000 m²의 경/중공업 산업단지인 제1일반산업단지와 제2일반산업단지가 조성되어 있으며, 향후 약 2,800,000 m² 부지에 신소재 및 메카트로닉스(mechatronics) 산업 기반의 제3일반산업단지와 제4일반산업단지가 조성될 예정이다.

연구지역의 지반은 일부 산악 지형을 제외하면 대부분 지진에 취약한 연약층으로 구성되어 있으며, 산악 지형은 세립질 화성암인 석영조면암으로 구성되어 있다(Fig. 1c). 영일만항은 실트질의 사질토로 매립되었다(Kim et al., 2019). 영일만항은 2017년 11월 포항 지진의 진원으로부터 서쪽으로 약 5 km 거리에 위치한다. 포항 지진으로 인해 영일만항에서 액상화 의심 징후 및 케이슨 벽에서 5–10 cm의 수평 변위, 배후 분지에서 10 cm 이상의 침하가 발생하였음이 보고된 바 있어(Kim et al., 2019) 항만인프라에 미치는 지진의 영향 분석이 필요한 상황이다.

포항 영일만항 및 주변 지역의 시계열 변위를 관측하기 위해 Sentinel-1 SAR 영상을 활용하였다. Sentinel-1 위성은 유럽우주국(European Satellite Agency)의 코페르니쿠스 지구 관측 프로그램에서 개발된 위성으로 SAR를 탑재하여 기상 조건과 주야에 관계없이 지표 관측이 가능하다. Sentinel-1 위성은 StripMap, Interferometric Wide (IW) swath, Extra Wide swath, Wave 모드의 4가지 촬영 모드로 영상을 획득할 수 있다. Sentinel-1A와 Sentinel-1B 두 위성으로 구성된 Sentinel-1은 중심 주파수 5.405 GHz의 C-band SAR를 탑재하고 있다. 두 위성은 180°의 위상차로 동일한 궤도를 비행하며 12일의 재방문 주기로 영상을 촬영한다. 따라서 Sentinel-1A/1B 영상이 모두 획득될 경우 최소 6일 간격의 관측이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 Sentinel-1B는 전원 공급 장치의 결함으로 인해 2021년 12월 23일 이후로 신규 영상 획득이 불가능하다.

Fig. 1. Location of the study area (@Bing).The red and yellow polygons represent the imaging coverage of the ascending and descending nodes of Sentinel-1, respectively. The white box denotes the study area. (b) An enlarged view of the white box in (a). (c) Geological map of the study area.

이연구에서는Alaska Satellite Facility (https://search.asf.alaska.edu/#/)를 통해 Sentinel-1A SAR 영상을 확보하였다. Sentinel-1 SAR 영상은 위성의 상향 궤도 관측에서 2017년 2월 19일부터 2023년 7월 30일까지 총 156장, 하향 궤도 관측에서 2017년 2월 25일부터 2021년 12월 13일까지 총 144장을 구축하였다. 상향 궤도 관측에서 2018년 1월부터 2018년 6월까지 영상이 획득되지 않았고, 하향 궤도 관측은 2022년부터 연구 지역에 대해 수행되지 않았다. 해당 시기는 시계열 변위 분석에서 제외하였다. 연구에 사용된 SAR 영상과 동일한 영역에 대해서 2017년 2월 이전에도 불규칙적인 시간 간격이긴 하지만 영상이 획득된 바 있다. 그러나 이 연구에서는 2017년 이전의 영상을 시계열 변위 분석에 사용하지 않았다. 이는 2017년 이전에 영일만항 남부 지역에 대한 준설 및 매립 공사가 진행됨에 따라 해당 SAR 영상들을 포함할 경우 긴밀도의 저하가 발생하여 항만 남부에서 시계열 변위 관측이 불가능하기 때문이다. 모든 SAR 영상은 IW 모드에서 VV 및 VH의 이중편파로 획득되었으며, Single Look Complex (SLC) 포맷으로 구축하였다(Table 1). 이 연구에서는 VV 편파 영상을 변위 관측에 활용하였다.

Table 1. Sentinel-1 SAR data used in this study

레이더 간섭기법 적용을 위한 SAR 영상 간의 정밀 정합과 지형고도에 의한 간섭위상 제거에는 30 m 공간 해상도의 Copernicus GLO30 수치고도모델(Digital Elevation Model, DEM)을 사용하였다. 영일만항 인접 내륙의 지반 특성에 따른 시계열 변위 해석을 위해 한국지질자원연구원에서 배포하는 수치지질도(https://data.kigam.re.kr/data/)를 활용하였다.

3. 연구방법

PSInSAR 기법은 인공 구조물처럼 높은 긴밀도(coherence)가 유지되며 안정된 산란 신호를 제공하는 고정산란체(Permanent Scatterer, PS)의 시계열 변위를 정밀하게 탐지할 수 있는 기법이다. 연구지역에는 강한 후방 산란을 갖는 인공 구조물이 많이 분포하기 때문에 PSInSAR 적용 시 다수의 PS가 산출될 것으로 기대되었다. 이 연구에서는 Sentinel-1 SAR 영상에 PSInSAR 기법을 적용하기 위해 Interferometric synthetic aperture radar Scientific Computing Environment(ISCE) 소프트웨어(Rosen et al., 2012)와 스탠포드 대학교에서 개발한 Stanford Method for Persistent Scatters (StaMPS) 소프트웨어 패키지(Hooper et al., 2004)를 이용하였다. Fig. 2는 이 연구의 자료처리 흐름을 보여준다. Sentinel-1 위성의 정밀 궤도 데이터(Precise Orbit Data, POD)를 이용하여 SAR 영상의 궤도 보정을 수행하였고, SAR 영상 간의 수직 기선거리(perpendicular baseline)와 시간 기선거리(temporal baseline)를 계산한 후 PSInSAR의 주영상(reference image)을 선정하였다. Figs. 3(a, b)는 각각 상향 및 하향 궤도에서 주영상과 부영상들(secondary images) 사이의 수직 기선거리와 시간 기선거리를 보여준다. 이 연구에서는 상향 및 하향 궤도 관측에서 각각 2021년 3월 6일, 2019년 7월 9일을 주영상으로 설정하고 나머지 영상들을 부영상들로 설정하여 시계열 차분간섭도를 생성하였다. 상향 및 하향궤도 관측에서 최대 수직 기선거리는 각각 245 m, 169 m이다.

PSInSAR 수행을 통한 시계열 변위 산출을 위해 먼저 진폭 분산지수(amplitude dispersion index)를 0.4로 설정하여 이보다 작은 값을 가지는 픽셀들을 고정산란체 후보(PS Candidate, PSC)로 선정하였다. 변위 탐지에 사용될 안정적인 PS를 선별하기 위하여 PSC의 간섭위상에 대해 band-pass 필터 및 low-pass 필터를 통해 변위, 대기효과, 궤도 및 DEM 부정확성에 기인하는 위상 성분을 제거하고, 수직 기선거리와 레이더 look angle 오차에 따른 DEM에 의한 잔여 위상 성분을 제거하였다. 남아 있는 위상 성분을 통해 PSC의 시간 긴밀도를 평가하여 안정적인 긴밀도를 보이는 PSC를 시계열 변위 탐지를 위한 최종 PS로 선정하였다. PS 선정 후 3차원(시간 및 공간) 절대위상복원(phase unwrapping)을 수행하였으며, 공간적 low-pass 필터링과 시간적 high-pass 필터링을 통해 대기에 의한 위상지연 효과 및 궤도 부정확성에 의한 위상 오차를 추정하여 제거한 후 최종적으로 PS들에 대한 시계열 변위를 산출하였다.

Fig. 2. Processing flow of the time-series displacement estimation based on PSInSAR analysis.

Fig. 3. Temporal and perpendicular baseline plot of interferograms used in PSInSAR analysis, based on the Sentienl-1 observations in (a) ascending and (b) descending orbit directions, respectively.

PSInSAR 기법 적용을 통해 산출되는 시계열 변위는 3차원 공간에서 발생한 PS의 움직임이 위성의 레이더 관측 방향(Line of Sight, LOS)으로 투영되어 얻어진 변위이다. 서로 다른 두 방향에서의 LOS 변위가 얻어질 경우 2차원 변위(동-서및상-하 방향)의 산출이 가능하다(Hu et al., 2014; Fuhrmann and Garthwaite, 2019). 이 연구에서는 Sentinel-1의 상향 및 하향 궤도 관측에서 획득된 시계열 변위를 이용하여 2차원 변위를 산출하였다. 식(1)은 i번째 PS에 대해 위성의 상향 및 하향 궤도 관측에서 산출된 LOS 방향의 변위(d_{asc, i} 및 d_{dsc, i})와 동-서및상-하 방향 변위(d_{e, i} 및 d_{u, i})의 관계를 나타낸다.

\(\begin{align}\left[\begin{array}{l}d_{a s c, i} \\ d_{d s c, i}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ll}-\sin \theta_{a s c} \cos \alpha_{a s c} & \cos \theta_{a s c} \\ -\sin \theta_{d s c} \cos \alpha_{d s c} & \cos \theta_{d s c}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}d_{e, i} \\ d_{u, i}\end{array}\right]\end{align}\)       (1)

식(1)에서 θ와 α는 각각 레이더 입사각(incidence angle) 및 위성의 궤도 방위각(heading angle)을 의미한다. 2차원 변위 계산을 위해서는 상향 및 하향 궤도 관측에서 동일한 PS의 LOS 방향 변위를 도출해야 한다. 그러나 SAR의 slant-range 관측 특성과 PS 위치의 부정확성으로 인해 동일한 PS라고 할지라도 상향 및 하향 궤도 관측에서 서로 다른 곳에 위치할 수 있다. 이로 인한 오차를 줄이기 위해 변위 특성에 차이가 없다고 가정할 수 있는 수십 m 크기의 영역을 설정한 후, 두 궤도에서 얻어진 변위 관측 결과를 설정 영역의 크기에 대해 다운샘플링 하여 활용하는 방법이 사용되고 있다(Xu et al., 2016). 이 연구에서는 반경 50 m 이내의 영역에 위치하는 서로 이웃한 PS들의 시계열 변위 특성은 거의 차이가 없다고 가정하였고, 해당 영역 내에 포함되는 상향 및 하향 궤도 관측에서의 PS들의 변위를 평균하여 2차원 변위 산출에 활용하였다.

Sentinel-1 위성의 상향 및 하향 궤도 관측에 대해 각각 PSInSAR 기법을 적용하여 영일만항 및 그 주변 지역에 대한 LOS 방향의 시계열 변위와 평균 변위속도를 산출하였고, 국지적으로 시계열 변위의 차이를 보이는 영역에서 대표성을 가지는 PS에 대한 LOS 방향 및 2차원 시계열 변위를 분석하였다. 그리고 PS별로 시계열 변위의 특성과 포항 지진의 영향을 해석하였다. 2차원 변위는 상향 및 하향 궤도 SAR 영상이 모두 획득된 시기에 대해서만 산출하여 분석하였다.

위성에서 관측된 변위는 GPS, GNSS, 침하계 등의 계측 장비를 통해 획득된 현장 관측 변위와 비교하여 검증될 필요가 있으나, 이 연구의 연구지역에 대해서는 활용할 수 있는 현장 관측 자료가 부재하였다. 그러나 상향 및 하향 궤도의 시계열 SAR 영상을 사용하였기 때문에 두 궤도 관측에 대한 LOS 방향 변위속도 사이의 상호 비교를 통한 자기 일관성(self-consistency) 검토가 가능하며, 위성 관측 변위의 신뢰도를 평가할 수 있다(Aslan et al., 2019; Xu et al., 2016). 상향 및 하향 궤도 관측의 기하학적 특성상 수직변위가 지배적인 경우 두 궤도에서 관측된 LOS 방향 변위 사이의 상관성이 높아야 신뢰할 수 있는 변위 관측 결과라 할 수 있다.

반면 수평변위의 영향이 크거나 위성 관측 변위의 부정확성이 높을수록 상관성이 낮다. 이 연구에서는 PSInSAR 기반 시계열 변위의 신뢰도를 평가하기 위해 2차원 변위를 분석한 후, 수평변위가 큰 영역을 제외한 나머지 영역의 PS들에 대해 상향 및 하향 궤도 관측에서의 LOS 방향 선형변위속도를 산출하였다. 이때 상향 궤도와 하향궤도 관측에서 동일한 PS가 다른 곳에 위치할 수 있으므로 각 궤도의 PSInSAR 관측 결과를 50 × 50 m로 보간한 후 선형변위속도를 상호 비교하여 위성 관측 변위속도의 자기 일관성을 검토하였다.

4. 연구결과 및 토의

연구지역에 대한 Sentinel-1 위성의 상향 및 하향 궤도 관측에서의 평균 변위속도는 Fig. 4와 같다. 연구지역 내에서 PS는 상향 궤도 관측에서 5,293개, 하향 궤도 관측에서 4,810개가 선정되었다. 영일만항에서 선정된 PS의 개수는 상향 및 하향 궤도 관측에서 각각 487개와 269개였으며, 변위속도는 각각 –5.0 mm/yr부터 5.3 mm/yr와 –4.5 mm/yr부터 1.7 mm/yr의 범위를 갖는다. 항만 내 PS는 주로 북부와 중앙부의 건축물 및 도로에서 도출되었으며 항만의 남부와 동부에서는 거의 선정되지 않았다. 이는 이 연구의 변위 관측 기간 동안 지속된 배후단지 및 항만부지 확보를 위한 매립 공사의 영향과 컨테이너 화물의 선적 및 하역 활동에 의해 레이더 후방산란이 크게 변동했기 때문인 것으로 확인되었다. Fig. 4(a)의 P1–P6은 국지적 변위 특성을 대표할 수 있는 PS들이다. P1부터 P4는 영일만항 내에, P5와 P6은 각각 영일만항 서쪽 산업단지의 도로부 및 공장 건물에 해당한다. 상향 및 하향 궤도 관측에서 LOS 방향의 변위속도는 대부분의 지역에서 0 mm/yr에 가까우나, 일부 산업단지 주변부에서는 –7.5 mm/yr 이상의 큰 변위속도가 관측되었다.

Fig. 5는 Sentinel-1 위성의 상향 및 하향 궤도 관측으로부터 산출한 P1–P6의 LOS 방향 시계열 변위를 보여주며, 검은색 점선은 포항 지진 발생 날짜를 지시한다. 영일만항의 남부에 위치한 P1과 P2에서는 –5.8 mm/yr에서 3.8 mm/yr 사이의 변위속도가 관측되었고(Figs. 5a, 5b), 관측 초기 약 10개월간은 그 이후 시기에 비해 상대적으로 큰 변위속도가 나타났다. 항만 중앙부의 P3에서는 항만 남부의 P1, P2와 유사하게 관측 초기 약 10개월간 상대적으로 큰 변위속도를 보였으며, 이후에는 작은 변위를 보였다(Fig. 5c). 전체 관측 기간에 대한 LOS 방향 변위속도는 두 궤도의 관측에서 약 ±3 mm/yr로 계산되었는데 관측 초기를 제외하면 변위량은 크지 않았다. P1–P3에서 관측 초기의 큰 변위는 항만 매립 공사와 배후분지 축조, 가설건축물 및 도로 등의 건설에 의한 영향으로 추정된다. 주목할 만한 점은 P2–P3에서 포항 지진 발생 직후 5–13 mm의 급격한 LOS 방향 변위가 관측되었으며, 항만 중앙부의 P3보다 항만 남쪽의 P2에서 지진 변위가 더욱 뚜렷하게 나타났고 더 남쪽에 위치한 P1에서는 지진 직후 변위의 변화가 거의 없었다는 것이다. 항만의 북부에 위치한 P4에서는 2 mm/yr 이하의 작은 LOS 방향 변위속도가 관측되었고(Fig. 5d) 포항지진에 따른 변위는 발생하지 않은 것으로 확인되었다.

영일만항은 간척 및 매립 활동을 통해 건설된 항으로, 매립토의 고결화 정도는 항만인프라의 안정성에 중대한 영향을 미칠 수 있다(Li et al., 2005). 일반적으로 매립토의 고결 기간이 길어질수록 일축압축 강도가 증가한다(Park and Hwang, 2014; Gu et al., 2021). Google Earth의 시계열 위성 영상으로부터 2007년 항만의 북쪽 부분이 매립되고 있음을 확인할 수 있다(Fig. 6a). 2010년 10월 영상에서는 P4와 P3를 포함하는 항만 북부 및 중부 지역의 매립이 모두 완료되고 도로와 건물이 이미 축조되어 있음이 확인된다(Fig. 6b). 그러나 P3 서편의 배후분지는 계속해서 매립 중이며 2007년 영상과 배후분지 매립 과정을 살펴보면, P4가 포함된 항만 북부 지역이 먼저 매립되었고 P3를 포함하는 중부 지역은 상대적으로 나중에 매립된 것을 추정할 수 있다. 항만 남부의 P2 영역은 2013년 2월 이후에 매립 완료 후 도로 및 구조물 건설이 시작되었으며(Figs. 6c, 6d), 더 남쪽에 위치한 P1 주변은 포항 지진 발생 이후까지도 매립 공사가 진행된 것으로 확인되었다(Figs. 6e–6h). 이를 통해 영일만항의 북쪽에서 남쪽으로 갈수록 변위의 시계열 변화가 큰 것은 항만의 북쪽보다 남쪽에서 매립토의 고결화가 더 약하기 때문으로 추정할 수 있다. 또한 간척 매립토의 고결화 정도는 지진에 의한 변위의 크기를 결정하는데 중대한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 포항 지진 발생 시점에 매립이 완료되지 않았던 P1은 지진에 의한 변위를 거의 보이지 않는 반면에, P2를 포함하는 영일만항 남쪽은 매립토가 약하게 고결되어 있었으며 지진으로 인해 0.5–1.3 cm의 LOS 방향 변위가 발생한 것이 관측되었다. 토질의 고결 정도가 상대적으로 강한 P3 및 주변 지역은 P2에 비해 작은 지진 변위를 보였고, 매립된 시간이 더 오래 지난 항만의 북쪽지역은 포항 지진에 의한 변위가 거의 없음이 확인되었다.

Fig. 4. Mean displacement velocity in the LOS direction (a) from February 2017 to July 2023, as measured by the Sentinel-1 ascending node, and (b) that from February 2017 to December 2021, as measured by the Sentinel-1 descending node.

Fig. 5. Time-series displacement in the LOS direction for Sentinel-1 ascending and descending nodes at locations (a) P1, (b) P2, (c) P3, (d) P4, (e) P5, and (f) P6, as marked in Fig. 4(a). The vertically dotted line marks the date of the 2017 Pohang earthquake.

P5, P6은 영일만항 서쪽의 산업단지에서 선정된 고정산란체이다(Fig. 4a). 제1일반산업단지의 도로변에서 관측된 PS인 P5는 하향 궤도 관측에서 –7.4 mm/yr의 매우 큰 변위속도를 보였으며 2017년부터 2021년까지 4.3 cm의 LOS 방향 변위가 발생한 것으로 관측되었다. 상향 궤도 관측에서는 LOS 방향 변위속도가 –1.7 mm/yr로 상대적으로 작았으나 2021년 이후 변위의 변동이 크게 나타났다. P5에서의 시계열 변위는 연약층 지대라는 지질 특성으로 인한 지반침하와 산업단지의 건설 공사에 복합적으로 영향을 받은 것으로 추정된다. 포항지진 발생 직후 P5의 하향 궤도 관측에서 –5 mm의 LOS 방향 변위가 관측되어 지진에 의한 지반 거동이 있었음을 확인할 수 있다. 제2일반산업단지의 공장 건물에서 산출된 PS인 P6은 상향 궤도와 하향 궤도 관측에서 전체 관측 기간 동안 각각 –0.8 mm/yr와 0.1 mm/yr의 작은 LOS 방향 변위속도가 산출되었으나, 계절적으로 약 20 mm의 변위 변동성을 보였다. 이는 PS로 선정된 건물의 지붕이 강판(steel sheet) 등의 재질로 이루어져 있어 여름철 기온 상승으로 인한 열 팽창과 겨울철 기온 하강에 따른 수축 효과가 반영된 것으로 분석되었다. 포항 지진 이전의 변위속도는 10 mm/yr 이상으로 컸는데, 이는 변위 계절성의 일부만으로 연간 변위속도가 계산되었기 때문으로 해석된다. P6에서는 변위의 계절적 변화 추세 외에 포항 지진의 영향이라고 할 만한 변위가 관측되지는 않았으며, 지진의 영향 범위 외에 위치함을 추정할 수 있다.

Fig. 7은 P1–P6에서 산출된 상향 및 하향 궤도 관측에서의 LOS 방향 변위를 이용하여 계산한 동·서 방향 및 수직 방향 변위의 시계열을 보여준다. 양의 동·서 방향 변위는 동쪽 방향으로의 수평 변위를 의미하며, 양의 수직 방향 변위는 융기를 의미한다. 항만의 남단과 중앙부에 위치한 P1–P3은 관측 초기 약 10개월간 수평 방향 변위속도가 모두 큰데(Figs. 7a–7c), 이는 준설 및 매립, 구조물 및 도로 공사 등에 의한 영향으로 판단된다. 반면 영일만항 북부의 P4는 관측 초기에 수평 및 수직 방향 변위가 거의 발생하지 않았다(Fig. 7d). 포항 지진에 의한 2차원 변위는 지진 당시 매립이 진행 중이었던 P1과 매립토가 강하게 고결된 상태로 추정되는 항만 북부의 P4에서 거의 발생하지 않았다(Figs. 7a, 7d). 그러나 항만 북부에 비해 지반이 상대적으로 약하게 고결된 상태였던 P2와 P3에서는 서쪽 방향으로 각각 1.5 cm와 0.6 cm의 수평 이동과 함께 0.5 cm의 침하가 발생하였다(Figs. 7b, 7c). 이는 포항 지진이 역단층 운동을 포함하는 우수향 주향이동단층 운동으로 발생하여 영일만항이 위치하는 지진 발생 단층의 동쪽 지역에서 서쪽 방향으로의 수평 이동과 침하가 발생했다고 보고한 선행 연구의 결과와 일치한다(Song and Lee, 2019). 그리고 이러한 결과는 항만인프라 지반에서 매립이 완료된 이후 일정 시간이 지나기 전까지 토질이 약하게 고결된 상태에서는 지진에 의한 변위가 크게 발생할 수 있으며, 일정 시간 이후 토질이 강하게 고결되면 지진에 크게 영향을 받지 않을 수 있음을 나타낸다.

Fig. 6. High-resolution time-series images of Yeongilman Port (@Google Earth). (a) September 2007, (b) October 2010, (c) February 2013, (d) May 2014, (e) August 2015, (f) April 2017, (g) November 2017,coinciding with the Pohang earthquake, and (h) May 2018.

Fig. 7. Time-series displacement in the east-west and up-down directions for locations (a) P1, (b) P2, (c) P3, (d) P4, (e) P5, and (f) P6, as marked in Fig. 4(a). The vertically dotted line marks the date of the 2017 Pohang earthquake.

2018년 6월 이후 P2–P4에서의 수평 방향 변위는 크지 않았으나 P1에서는 2021년 3월 이후 약 9개월간 서쪽 방향으로 1.2 cm의 수평 변위가 발생하였다. 이는 매립토의 압밀과 지반 평탄화 공사 등의 영향이 작용한 결과로 추정된다. 그리고 항만 지역에 위치한 P1–P4에서는 모두 여름철에 침하하고 겨울철에 융기하는 1 cm 내외 수준의 수직 변위 변화가 관측되었다. 이는 매립토의 동결과 융빙에 따른 부피 변화의 결과로 판단된다.

제1일반산업단지의 도로부에서 선정된 P5에서는 전체 관측 기간동안 침하 변위와 수평 방향의 변위가 크게 발생하였다(Fig. 7e). P5에서 침하 속도는 6 mm/yr 이상이었으며, 2017년부터 2021년 12월까지의 침하량은 33 mm에 달하였다. 이는 해당 지역의 지반이 연약지반으로 구성되어 있어 지반침하에 취약하기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 1c). 수평 변위는 동쪽 및 서쪽 방향으로의 변위가 불규칙적으로 나타나며 장기적으로는 서쪽 방향으로의 지반 이동이 관측되는데, 이는 산업단지 개발에 따른 지표 변위의 영향으로 추정되며 지구조적인 영향은 명확하게 파악하기 어렵다. P5 지점에서 포항 지진에 의한 변위는 서쪽 방향으로의 수평 변위가 3 mm, 침하 변위는 6 mm로 지진을 유발한 단층 운동 메커니즘에 부합한다. 수평 변위의 경우 진앙에 더 가까움에도 불구하고 영일만항에서 관측된 변위보다 다소 작았는데, 이는 지반을 구성하는 암반과 토질의 강도가 매립지에서 더 약하기 때문으로 해석된다.

Fig. 8. Inter-comparison between the ascending and descending displacement velocity in the LOS direction. The black-dotted line is the fitted linear model.

제2일반산업단지의 공장 건물에 해당하는 P6에서는 건물 지붕의 열 팽창과 열 수축에 기인한 수직 방향의 변위가 2 cm 내외 수준으로 계절에 따라 변동하는 것이 관측되었다(Fig. 7f). 반면 지진에 의한 변위라고 해석할 만한 변위는 관측되지 않았고, 전체 연구 기간 동안 수평 방향으로의 변위도 매우 작았다.

PSInSAR 분석으로 산출된 시계열 변위의 신뢰도를 평가하기 위해 상향 및 하향 궤도 관측에서의 포항 지진 후 LOS 방향 선형변위속도를 상호 비교하는 자기 일관성 검토를 수행하였다. 포항 지진 전 시기의 경우 항만 등에서 수평변위가 크게 나타나 분석에서 제외하였다. 포항 지진 후 2차원 변위 분석 결과에서 제1일반산업단지와 영일만항 남쪽 부분 등 큰 수평변위를 보이는 PS도 제외하였다. Sentinel-1의 상향 궤도와 하향 궤도 관측에 대해 수행된 PSInSAR 기반의 LOS 방향 선형변위속도는 서로 1.0 mm/yr의 평균제곱근편차와 0.657의 상관계수를 보였다(Fig. 8). 두 궤도 관측에서의 변위속도가 아주 강한 상관성을 보이지는 않았으나, 이는 수평변위가 포함된 영향일 가능성이 높으며 PSInSAR 분석으로 산출된 시계열 변위는 신뢰할 수 있다고 판단된다.

서로 다른 궤도 관측에서 산출된 변위의 자기 일관성 검토를 수행하였으나, 현장 변위 계측 자료의 부재로 인해 PSInSAR로 산출된 시계열 변위의 정확성에 대한 정량적 검증이 이루어지지 못한 것은 이 연구의 한계점이다. 영일만항 매립토의 고결화 정도를 정량적으로 평가할 수 없었다는 것도 연구의 한계점이라 할 수 있다. 그럼에도 이 연구를 통해 인공위성 SAR 영상을 활용한 PSInSAR 분석이 항만의 안전 관리 및 재해 대응체계 수립에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 향후 연구에서는 영일만항을 포함하는 항만인프라에 대해 위성 관측과 동시에 현장 관측 변위 자료를 구축하여 PSInSAR 기반 시계열 변위의 정확도를 정량적으로 평가하고, 다양한 지구물리 탐사를 활용하여 항만 매립토의 물리적 특성을 분석함으로써 매립토의 고결화 정도를 정량화하여 변위와 함께 분석하고자 한다. 또한 대축척 지질도를 기반으로 지반의 지질학적 특성과 진원으로부터의 거리와 방향, 토지 이용 구분 등에 따른 시계열 지표변위 분석도 수행하고자 한다. 이를 통해 항만인프라 관리 및 안정성 평가를 위한 PSInSAR의 높은 활용성을 제시하며, 특히 매립지에 건설된 항만에 지진이 미치는 영향을 보다 명확히 이해할 수 있으리라 기대한다.

5. 결론

이 연구에서는 Sentinel-1 위성의 상향 및 하향 궤도에서 관측된 SAR 영상에 PSInSAR 기법을 적용하여 포항 영일만항과 그 주변 지역에 대해 레이더 관측 방향, 동·서 및 수직 방향의 시계열 변위를 산출하였고, 포항 지진에 의한 변위를 분석하였다. 영일만항의 변위는 매립토의 고결화 정도와 계절에 따른 토질의 자연적인 부피 변화, 인위적인 항만 활동에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 포항 지진에 의한 영일만항의 변위는 매립 토사의 고결화가 상대적으로 약할 것으로 추정되는 항만의 남부와 중부 지역에서 수평 방향으로 최대 1.5 cm, 침하 방향으로 최대 0.5 cm로 측정되었다. 반면 매립된 시기가 오래된 항만 북부에서는 포항 지진에 의한 변위가 발생하지 않았다.

영일만항은 겨울철 매립토의 동결에 따른 체적 증가 및 여름철 융해에 의한 체적 감소의 영향으로 매년 융기와 침하를 반복하는 것이 관측되었다. 영일만항 서쪽의 제1일반산업단지 지역은 지반 특성에 의해 지속적인 지반침하를 보였으며, 포항 지진 발생 시기에 수평 및 수직 방향으로 각각 3 mm와 6 mm의 변위를 보였다. 제2일반산업단지에서는 포항 지진에 의한 변위를 관측할 수 없었으며, 계절 변화에 따른 열 팽창 및 열 수축에 의해 구조물에서 수직 변위가 발생하며 장기적으로는 지반이 침하하는 것이 분석되었다.

본 연구를 통하여 항만인프라의 변위 모니터링에 인공위성 SAR 영상을 활용한 PSInSAR 분석이 유용하게 활용될 수 있으며, 항만 안전 관리와 재해 대응을 위한 중요 기초 정보 제공이 가능함을 확인하였다. 또한 매립지에 건설된 인공 항만에 지진이 미치는 영향에 대한 이해도를 높일 수 있었다.