도심지 피해평가를 위한 Hybrid Polarimetric SAR의 유효 피해인자 결정
저자
발행사항
서울 : 서울대학교 대학원, 2019
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울대학교 대학원 : 건설환경공학부 2019. 2
발행연도
2019
작성언어
한국어
주제어
DDC
624 판사항(22)
발행국(도시)
서울
기타서명
Determination of Effective Damage Indicator for Hybrid Polarimetric SAR in Urban Areas
형태사항
vii, 64장 : 삽화, 표 ; 26 cm
일반주기명
참고문헌 수록
UCI식별코드
I804:11032-000000155740
소장기관
Quad Polarimetric(QP) SAR(Synthetic Aperture Radar) 시스템을 탑재한 위성자료의 획득이 가능해짐에 따라 다양한 산란메커니즘에 대한 정보를 이용하여 재해재난의 피해를 평가하는 다수의 연구가 수행되고 있다. 하지만 QP SAR 시스템은 촬영 폭의 감소, 제한된 입사각(incidence angle)의 범위 및 시스템 복잡성의 특성을 가진다. 이러한 상충관계를 극복하고자 최근에 Compact Polarimetric(CP) SAR 시스템이 제안되었으며, 특히 Hybrid Polarimetric(HP) SAR 시스템의 경우 다른 시스템에 비하여 보다 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다.
HP SAR 시스템은 시계 또는 반시계 방향으로 회전하는 원형의 편파를 송신하고 수평 및 수직의 편파로 수신하여 산란메커니즘에 대한 해석이 이루어진다. 이때, HP SAR 시스템에서 획득한 자료를 통한 편파정보의 분석 연구는 크게 두 가지로 구분된다. 첫째, HP SAR 자료로부터 pseudo QP SAR 자료를 재구성하여 편파정보를 간접적으로 획득한다. 둘째, HP SAR 자료의 산란벡터로부터 편파정보를 직접적으로 획득한다. 하지만 처음의 방법의 경우 reflection symmetry 등의 가정을 필요로 하며, 그에 따라 도심지역 등의 해당 가정에 위반하는 실제 자료로의 적용에 한계가 존재한다.
편파정보는 대상 물체의 방향, 형태, 구성 물질 등에 민감하게 작용한다. 도심지역의 주된 산란체인 건물의 Polarimetric Orientation Angle(POA)이 클 경우, 송신편파에 대한 cross-pol 성분이 발생하여 체적산란의 기여도가 높아지며, 그에 따라 식생지역으로 오분류되는 경향을 보인다. 하지만 HP SAR 자료의 경우, 원형의 송신편파로 인하여 건물의 방향에 의한 영향이 적어 오분류 효과가 최소화된다. 본 연구에서는 HP SAR 자료로부터 직접적으로 획득한 편파정보를 도심지역에 적용하여 산란특성을 파악하고 건물의 붕괴로 인한 편파정보의 변화를 분석하였다. 위성영상을 활용하는 재해재난 피해평가 분야의 경우 시간 및 공간적 스케일과 정확도가 중요하게 요구된다. 이때, QP SAR 자료가 가지는 좁은 촬영 폭 및 POA가 큰 건물에 대한 오분류 경향은 한계로 작용할 수 있으며, HP SAR 자료가 이에 대한 하나의 대안으로 작용할 수 있다.
본 연구에서는 HP SAR 자료를 자연재해로 인한 도심지역 피해평가에 적용하기 위하여 유효한 피해인자를 결정하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 2011년에 발생한 규모 9.0의 동일본 대지진 전후의 ALOS PALSAR-1 자료로부터 HP SAR 자료를 모사하였으며, HP SAR 자료의 Stokes 벡터로부터 파라미터를 획득하여 편파정보에 대한 분석을 수행하였다. 이를 위해 피해 및 미피해 지역을 임의로 선정하여 획득한 파라미터의 자연재해로 인한 변화양상을 분석하였다. 더 나아가 본 연구에서는 획득한 HP SAR 파라미터에서 유효한 피해인자를 선정하였다. 이를 위해 분리도 분석을 통해 자연재해로 인한 도심지 피해 정보와 무관한 파라미터를 제외한 후, Random Forest(RF) 알고리즘을 통해 파라미터 간에 상대적인 중요도를 계산하여 유효 피해인자를 결정하였다. 기존의 연구에서는 자연재해로 인한 건물의 붕괴에 의하여 이중산란에서 표면산란으로의 산란특성 변화가 주된 지표임이 밝혀졌으며, 그 결과 이중산란특성의 기여도를 피해인자로 결정하였다. 따라서 본 연구에서는 제안된 유효 피해인자를 이중산란특성의 기여도 변화와의 비교분석을 통해 제안된 유효 피해인자가 가지는 우수성을 분석하였다. 본 연구는 향후 이루어질 HP SAR 시스템에 대한 기초 연구로서 HP SAR 자료를 활용하는 재해관리에 기여할 것으로 예상된다.
Under the capability of acquiring satellite data with Quad Polarimetric(QP) Synthetic Aperture Radar(SAR) system, numerous studies in various fields have focused on evaluating damage from natural disasters using quantitative amounts of scattering mechanism information. However, due to system characteristics, QP SAR system comes at narrow swath width, restricted span of incidence angle, and system complexity. On the purpose of resolving these trade-off, Compact Polarimetric(CP) SAR system has been proposed recently. Among them, Hybrid Polarimetric(HP) SAR system has been demonstrated to present superior performance.
HP SAR system investigates scattering mechanism by transmitting either right or left circular polarization and receiving both horizontal and vertical linear polarization. In that, there are two ways to analyze polarimetric information from HP SAR data. First, polarimetric information was acquired indirectly by reconstructing pseudo QP SAR data from HP SAR data. Second, polarimetric information was acquired directly from scattering vector of HP SAR data. However, indirect method needs some assumption such as reflection symmetry, leading to the limitation in adopting real data, especially urban area which present contrary on some assumptions.
Polarimetric information is sensitive to orientation, shape, and material constituents of target object. In case of building, which is dominant scatterer of urban area, with large orientation angle, misdetection as vegetation was occurred due to generation of cross-pol component. However, in case of HP SAR data, misdetection effect is minimized by transmitting circular polarization, leading to reduced influence of building orientation. In this study, investigation of scattering properties of urban area was performed. In addition, change of polarimetric information due to the collapsed building was analyzed. In case of disaster management using satellite data, temporal and spatial scale, and precision are highly demanded. As mentioned above, there are some limitations of adopting QP SAR on urban area, then HP SAR can act as a potential alternative.
This study therefore conducted determination of effective damage indicator of HP SAR data for urban damage assessment. HP SAR data was simulated from ALOS PALSAR-1 observed before and after the 2011 East Japan earthquake. Polarimetric information was analyzed by acquiring parameters from Stokes vector of HP SAR data. Then, change aspect of HP SAR parameters were analyzed using random sampled damaged and undamaged urban area. Moreover, this study performed determination of effective damage indicator of HP SAR parameters. In this manner, irrelevant parameter with urban change was excluded by analyzing separability, then effective damage indicator was determined by investigating relative importance from Random Forest(RF) algorithm. Previous studies focused on the change of double bounce scattering to surface scattering due to the destruction of the buildings, considering the contribution of double bounce scattering as main damage indicator. Therefore, selected parameter was compared with existing damage indicator to demonstrate the superiority. This study becomes a foundation of future HP SAR system contributing to applying HP SAR data on disaster management.
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