[논문 리뷰] Image Gravimetry: A New Remote Sensing Approach for Gravity Analysis in Geophysics

Mostafa Kiani Shahvandi|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Geophysics and Gravity Measurements참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 위성 영상에서 템플릿 기반 구형 스퍼링 보간을 사용하여 중력 값을 추정하는 새로운 원격 감지 방법인 이미지 중력측정(Image Gravimetry)을 소개한다. 이란 쿠무 지역의 랜드스트 영상에서 알려진 중력 점들을 활용하여, 기준 타원체 중력 모델과 비교했을 때 표준편차는 6.71 mGal, 최대 차이는 35 mGal를 기록하며, 광학 영상만을 사용하여 지구물리학적 중력 분석이 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper a new Geophysical gravimetry approach is presented, which is based on satellite imagery in remote sensing. The method uses a satellite image, together with a set of points in the image the gravity values of which are known. Template-based spheroidal spline method of interpolation is used to constitute a system of equations to find the values of gravity at other points in the image. A real case study is presented for the Qom region in Iran. Values of gravity are determined from the Landsat satellite image for this region, using 9 points in the image whose gravity values are known. Reference ellipsoid gravity values, which are based on coefficients derived from satellite gravimetry, are computed for this region, as well. Comparison between gravity values derived from Landsat image and those from reference ellipsoid shows that the standard deviation of the results is around 6.71 milli Gal, with the maximum of differences being 35 milli Gal.

연구 동기 및 목표

• 광학 위성 영상만을 활용하여 중력 분석을 위한 새로운 원격 감지 접근법을 개발하기 위해.
• 지상 기반 중력 측정의 희소성 문제를 위성 영상 데이터를 활용하여 해결하기 위해.
• 광범위하게 이용 가능한 원격 감지 영상 자료를 통해 지구물리학적 데이터가 부족한 지역에서도 중력장 추정이 가능하도록 하기 위해.
• 이론적 사례 연구를 통해 실제 사례 기반으로 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 본 연구는 이란 쿠무 지역의 랜드스트 위성 영상을 주요 데이터 자료로 사용한다.
• 영상 내부의 아홉 개의 알려진 중력 점을 보간의 기준점으로 활용한다.
• 이미지 기반의 구형 스퍼링 보간 방법을 적용하여 미지 위치의 중력 값을 추정하기 위한 연립방정식을 해결한다.
• 영상에서 유도된 중력 값은 위성 중력계수를 기반으로 계산된 기준 타원체 중력 값과 비교된다.
• 보간 모델은 지역적 중력 추정 정확도를 향상시키기 위해 지구의 구형 기하학적 특성을 반영한다.
• 이 방법은 영상 처리와 수치 해석을 융합하여 광학 영상에서 중력 변화를 지ap핑하는 데 기여한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보간 기법을 활용하여 광학 위성 영상에서 중력 값을 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?
• RQ2 지역적 중력 지도 제작에 랜드스트 영상에 적용된 구형 스퍼링 보간 방법의 정확도는 어떠한가?
• RQ3 실제 사례 연구에서 영상 기반 보간으로 유도된 중력 값과 기준 타원체 모델 간의 편차는 얼마인가?
• RQ4 이 방법은 지상 기반 중력 데이터가 제한된 지역에서 실용적인 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 쿠무 지역과 같은 지각 활동이 활발한 지역에서 영상 기반 중력 추정의 공간 오차 특성은 어떠한가?

주요 결과

• 랜드스트 영상에서 유도된 중력 값과 기준 타원체 모델 간의 표준편차는 6.71 밀리갈(milli Gal)이었다.
• 보간된 중력 값과 기준 중력 값 간의 최대 차이는 35 밀리갈(milli Gal)에 이르렀다.
• 이 방법은 랜드스트 영상 내 아홉 개의 알려진 중력 점만을 사용하여 지역 중력 지도를 성공적으로 생성하였다.
• 결과적으로 전용 중력 위성 미션 없이도 광학 위성 영상에서 중력장 추정이 가능하다는 것이 입증되었다.
• 오차 분포는 이론적으로 밀도가 높고 일관성 있는 기준점이 있는 지역에서 방법의 성능이 가장 우수하다는 것을 시사한다.
• 본 연구는 구형 스퍼링 보간이 지역 중력 모델링에서 지구의 곡률을 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다.