SAR Data 활용 지하 교통 인프라 광역 지반조사 기술 동향 및 적용 사례
▲ 김우석 KICT 지반연구본부 수석연구원
들어가며
일반적으로 도심지 입체화된 지하 교통 인프라는 복잡한 지반의 특성, 인접 구조물의 영향 등으로 인해 많은 불확실한 조건이 존재하고 있어, 지하공간 개발을 위한 건설 및 운영 중의 안전 감시는 중요하게 여겨지고 있다. 건설 중의 위험 예측과 안전한 유지관리 운영은 건설 비용 절감에 유용하므로 보다 효율적인 방법을 모색하는 것이 필요하다. 특히, 합리적인 비용과 정확도가 있는 조사 방법으로 광역적인 지역에 대한 지표상의 지반 및 인프라 시설물의 변화를 모니터링할 수 있다면 좋은 평가를 받을 수 있을 것이다. 최근 세계적으로 네트워크를 통해 대용량 위성 자료(LANDSAT, MODIS, SENTINEL 등)를 획득할 수 있는 체계가 구축되고 있다. 광범위한 지역을 대상으로 위성 원격 탐사 기술 중 하나인 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR) 이미지를 활용하여, 간섭형 합성 개구 레이더(Interferometric SAR, InSAR) 기법을 통해 24시간 고해상도의 다양한 원격 감지가 가능하다.
이 글에서는 이러한 위성 자료의 일종인 SAR 자료를 활용하여 지상에 특별한 장치를 설치하지 않고 광범위한 면적에 대해 공간적 변화 관찰이 가능한 조사 기술의 적용 사례 현황과 미래 방향을 소개하고자 한다.
SAR 개념 및 현황
SAR는 항공기나 인공위성에 부착된 레이더 장치로, 고해상도 원격 감지 이미지 생성이 가능하며, 수 센티미터에서 수십 센티미터까지의 마이크로파를 사용하는 능동 원격 감지로, 모든 날씨 조건에서도 관측이 가능한 장점이 있다. 다만, 어느 정도의 정확한 결과물을 얻기 위해서는 복잡한 자료 분석이 필요하다는 것이 마이크로파 원격 감지 사용의 단점이다.
SAR 위성의 개발은 미국의 SEASAT이 1978년에 시작하여 자료를 제공하고 있으며, 뒤를 이어 Almaz(소련/러시아), ERS-1(유럽), JERS-1(일본), ERS-2(유럽), RADARSAT- 1(캐나다) 등의 많은 위성이 지구 주위를 돌며 레이더 센서를 탑재하여 SAR 자료를 제공하고 있다. 특히, 유럽우주국 (ESA)에서 운용 중이며 2024년 현재 국내외에서 무료로 많이 활용하고 있는 Sentinel-1 위성의 경우 2개의 위성 중 Sentinel-1B 위성에서의 자료 제공이 종료(2021년 12월 23일)되었으며, Sentinel-1C가 곧 운용될 예정이다. 국내에서는 한화시스템에서 초소형 SAR 위성을 발사하여 상용화 예정이어서 국산 자료의 취득 가능이 임박해 있다.
InSAR 기술은 두 개 이상의 레이더 파장이 지표면에서 반사된 후 서로 간섭하는 방식을 기반으로 지표면의 이동이 레이더 파장의 위상에 변화를 일으켜 간섭 패턴의 변화를 생성하게 되므로 이를 통해 지표면의 변화를 계산할 수 있다. 특히, 인공위성 SAR는 고유의 궤도에서 영상을 획득하므로, 두 개 이상의 다른 시점에서 취득한 자료를 기반으로 지표면 변위를 관측할 수 있어 간섭 패턴의 차이를 분석함으로써 지표면의 속도와 방향을 정량화할 수 있다. 이러한 기술은 지진 및 화산 활동, 지표 및 지하 수치 분석 등 지구과학 분야 외에도 지반의 거동 특성 파악 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.
국내외 SAR 자료 활용 사례
2014년 미국 시애틀에서는 SR99 터널 건설 중 굴착 사고에 따른 후속 조치를 위해 신규 수직갱이 필요한 상황이 발생하였고, 긴급 굴착에 따른 지하수위의 급격한 변화와 연계한 주변 지표면의 변화가 예상되어 InSAR를 이용하여 지반침하에 대한 모니터링을 수행한 사례가 있다. 일본의 경우 댐의 체적 변위 계측을 통한 댐구조물의 안전성 진단, 활화산의 운동에 따른 용암의 이동 변화 관찰, 지진발생에 따른 지형변화 관찰, 전국 단위 지표변위 검토 등 다양한 분야에서 일찍이 SAR를 활용한 연구가 많이 진행되고 있다. 또한, 인도네시아에서는 지하수위 강하에 따른 도시재 해에 대응하기 위한 모니터링, 섬 지역의 해안선 변화에 대한 모니터링 등에 활용되고 있다.
국내에서는 경상북도와 강원도에서 수집한 SAR 자료를 이용하여 산사태, 수해 등으로 피해를 입은 재난지역에서의 활용 가능성을 분석한 사례가 있으며, 화산 분화 가능성이 제기된 백두산과 한라산의 화산활동 감시를 목적으로 지표변위 예측 및 재난 리스크에 대한 연구를 진행한 사례가 있다. 그 외에 건설교통 분야에서는 지반침하로 인한 고속철도의 재난관리와 관련하여 GIS 활용 고속철도 노선 대상 위험분포지도(Risk map)를 제작하기 위해 주요 위험 구간에 대한 SAR 자료를 활용한 지반침하 분석을 수행 한 사례가 있다. 또한, 철도 시설물에서 침하 및 틀림에 의한 사고 발생 방지를 위한 적정 수준의 변형을 유지하기 위해 궤도, 사면, 구조물 구역의 변위량을 분석하여 광범위한 인프라 시설에 모니터링을 위한 기법으로 활용 가능하다는 것을 확인한 사례도 있다.
한국건설기술연구원에서는 2015년부터 2020년까지 수행한 지반안전연구단(연구단장: 백용 선임연구위원)에서 지반함몰 위험성 예측 및 평가 기술개발을 위한 연구과제를 수행하였다. 그 결과물의 하나로 지반침하 위험성 예측을 위해 SAR 자료를 활용한 사례가 있다. 이 연구에서는 국내 주요 도시 전체를 대상으로 SAR 자료 활용 시계열 분석을 수행하여 인프라 구조물(지하철 노선, 지하도로, 지하 터널, 교량의 교각부)에서 변위가 발생함을 확인할 수 있었다. 또한, 2020년부터 2024년까지 도심 지하 교통 인프라 건설 및 운영 기술 고도화 연구단(연구단장: 김창용 선임연 구위원) 과제에서는 지하 교통 인프라 안전 건설을 위한 조사 부분에 있어 SAR 자료를 활용한 지반조사 기법을 도입하고자 지표변위 모니터링에 대한 적용 가능성 연구를 수행하고 있다. 부산 지역의 만덕-센텀 지하차도 및 수도권 GTX-A 일부 노선을 대상으로 노선상의 굴착 심도 고려 모니터링 범위 설정을 적용하여 시계열 분석을 통한 지표 변위에 관한 결과를 도출하였다.
건설·교통 분야 적용 미래 방향
일반적으로 지하 교통 인프라 건설지를 대상으로 지표변위를 관측하기 위해서는 변위계, 경사계, 침하계 등의 현장 단 위 변위 계측장비와 범지구 위치 결정 시스템(GPS)과 같은 측위 장비를 통해 관측할 수 있었다. 이제는 SAR 자료를 활용한다면 더 광역적이면서도 밀리미터 단위까지 장기간의 지표변위까지도 모니터링이 가능할 것으로 예상된다. 향후, 건설·교통 분야에서 InSAR 기법 활용을 위해서는 현재 단점으로 부각되고 있는 실시간 또는 원하는 시점의 자료제공 불가능, 원자료의 후처리 소요시간, 정밀한 분석을 위한 필수 해석프로그램의 높은 가격 등의 극복을 위해 라이다(LiDAR) 또는 실시간 영상정보(일명 CCTV 정보) 등 동일 목적 유사 정보와의 중첩 분석 기술, 건설 분야 맞춤형 SAR 자료 해석 모듈, 지하 터널 굴착 실계측자료 연동 지표변위 예측 모델, 누적 SAR 자료 시계열 분석 결과 기반의 근미래 지표 변위 예측 모델, 인프라 시설물 설계-시공-운영 단계별 통합 지표변위 통합관리 시스템 등 관련 기술 개발이 필요하며, 이를 통해 국가 인프라 디지털화 및 재해 예방을 통한 국민 안전 확보 등에 이바지할 수 있을 것으로 생각된다.
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참고자료
• Hanssen, R.F.(2001) Radar interferometry: Data interpretation and error analysis (Vol. 2), Springer Science & Business Media, 308p.
• MDA.(2018) INSAR Monitoring of Land Deformation, https:// mda.space/en/
• P.E. Yastika, N. Shimizu and H. Z. Abidinc. (2019) Monitoring of long-term land subsidence from 2003 to 2017 in coastal area of Semarang, Indonesia bySBAS DInSAR analyses using Envisat ASAR, ALOS PALSAR, and Sentinel-1A SAR data, Advances in Space Research, v.63, pp.1719-1736
• Shimizu. N.S.(2019) 時空間切れ目のない変位モニタリングにお 3(GPS,SAR) 1,, no.402, pp.3-9 (InJapanese).
• TRE ALTAMiRA.(2021) https://site.tre-altamira.com/insar/ (20 Dec. 2021)
