최근 집중호우나 태풍에 의한 홍수피해가 급증하면서, 댐방류시 하류하천의 홍수범람지역에 대한 가시화 정보가 요구되고 있다. 본 연구에서는 남강댐 하류지역을 대상으로 홍수범람지역을 가시화할 수 있는 3차원 GIS 시스템을 개발하였다. 먼저, TextureMaker와 HeightMaker 모듈을 이용하여 NGIS 수치지형도에서 추출한 DEM과 IKONOS 위성영상을 iWorld 엔진에 탑재 가능한 형태로 최적화 하였으며, 홍수분석모형(COSFIM)과 FLDWAV 수리모델을 이용하여 예측한 하천 횡단측선별 실시간 홍수위정보를 기반으로 댐하류 지역에 대한 홍수범람지역을 효과적으로 추출할 수 있게 되었다. 이러한 홍수범람 가시화 정보는 실시간 댐운영에 필요한 침수취약지역 파악 및 신속한 홍수재해 대처계획 수립에도 효과적으로 이용될 수 있다.
최근 집중호우나 태풍에 의한 홍수피해가 급증하면서, 댐방류시 하류하천의 홍수범람지역에 대한 가시화 정보가 요구되고 있다. 본 연구에서는 남강댐 하류지역을 대상으로 홍수범람지역을 가시화할 수 있는 3차원 GIS 시스템을 개발하였다. 먼저, TextureMaker와 HeightMaker 모듈을 이용하여 NGIS 수치지형도에서 추출한 DEM과 IKONOS 위성영상을 iWorld 엔진에 탑재 가능한 형태로 최적화 하였으며, 홍수분석모형(COSFIM)과 FLDWAV 수리모델을 이용하여 예측한 하천 횡단측선별 실시간 홍수위정보를 기반으로 댐하류 지역에 대한 홍수범람지역을 효과적으로 추출할 수 있게 되었다. 이러한 홍수범람 가시화 정보는 실시간 댐운영에 필요한 침수취약지역 파악 및 신속한 홍수재해 대처계획 수립에도 효과적으로 이용될 수 있다.
Recently, flood damages have increased with heavy rainfall and typhoon influences, and it requires that visualization information to the flood inundation area of downstream in dam discharge. This study developed 3D GIS system that can visualize flood inundation area for Namgang Dam downstream. First...
Recently, flood damages have increased with heavy rainfall and typhoon influences, and it requires that visualization information to the flood inundation area of downstream in dam discharge. This study developed 3D GIS system that can visualize flood inundation area for Namgang Dam downstream. First, DEMs extracted from NGIS digital maps and IKONOS satellite images were optimized to mount in iWorld engine using TextureMaker and HeightMaker modules. And flood inundation area of downstream could be efficiently extracted with real-time flooding water level using Coordinate Operation System for Flood control In Multi-reservoir (COSFIM) and Flood Wave routing model (FLDWAV) in river cross section. This visualization information of flood inundation area can be used to examine flood weakness district needed in real time Dam operation and be applied to establish the rapid flood disaster countermeasures efficiently.
Recently, flood damages have increased with heavy rainfall and typhoon influences, and it requires that visualization information to the flood inundation area of downstream in dam discharge. This study developed 3D GIS system that can visualize flood inundation area for Namgang Dam downstream. First, DEMs extracted from NGIS digital maps and IKONOS satellite images were optimized to mount in iWorld engine using TextureMaker and HeightMaker modules. And flood inundation area of downstream could be efficiently extracted with real-time flooding water level using Coordinate Operation System for Flood control In Multi-reservoir (COSFIM) and Flood Wave routing model (FLDWAV) in river cross section. This visualization information of flood inundation area can be used to examine flood weakness district needed in real time Dam operation and be applied to establish the rapid flood disaster countermeasures efficiently.
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문제 정의
본 연구는 「낙동강수계 댐군홍수조절 연계운영시스템 구축」사업의 일환으로서, FLDWAV 모델로 모의한 하천내 홍수위 해석결과를 기반으로 위성영상과 침수구역도를 함께 연계하여 댐하류 하천에 대한 실시간 범람지역을 가시화하기 위한 시스템을 개발하는 것으로서, 낙동강유역의 남강댐 직하류를 대상으로 적용한 결과 다음의 결론을 얻었다.
본 연구는 낙동강수계 댐군홍수조절 연계운영시스템 구축 사업의 일환으로서, 홍수분석모델(Coordinate Operation System for Flood control In Multi-reservoir; COSFIM)과 1차원 수리해석모델인 FLDWAV(Flood Wave routing model)를 이용하여 하천내 홍수위 해석결과를 위성영상과 침수구역도와 함께 연계함으로서 댐하류 하천에 대한 홍수범람지역을 실시간으로 가시화하는 시스템을 개발하는데 목적이 있다. 이러한 홍수범람지역 가시화시스템은 홍수에 대한 사전대비를 실시하여 피해를 최소화할 수 있는 비구조적 대책의 일환으로서 홍수발생시 침수예상지역에 대한 신속한 파악 및 주민 대피 업무 등을 지원할 수 있으며, 평상시에는 침수이력, 침수가능성, 홍수터관리, 토지이용계획 수립 및 홍수보험제도 도입을 위한 의사결정 자료로 활용이 가능하다.
그림 3은 홍수범람 가시화시스템 개발을 위한 연구프로세스로서 먼저, 지형자료는 국토지리정보원에서 구축한 1/5,000 NGIS 수치지형도를 기반으로 댐하류 하천주변지역에 대한 등고선(7111, 7114)과 표고점(7217)을 추출하였으며, 추출된 등고선의 부재 및 부정합, 그리고 등고선 및 표고점의 속성 오류에 대한 편집작업을 수행하였다. 본 연구는 제내지 구역에 대한 침수영역을 가시화하는 것으로서 하천구역 안쪽인 제외지의 횡단측량 성과물은 반영하지 않았다. 다만, 하천정비기본계획상의 제방상단 표고값을 수치지형도의 등고선과 비교한 결과, 국가하천으로 이루어진 남강댐 하류구간의 제방 부근 등고선이 하천정비기본계획상의 제방상단 표고점과 유사하게 나타난 것으로 확인되어 별도의 breakline 처리는 수행하지 않았다.
홍수범람지역에 대한 실감정보를 제공하기 위해 본 연구에서는 남강댐 상하류 유역의 IKONOS 위성영상을 구축하였다. IKONOS 영상은 1m 해상도의 전정색 영상과 4m 해상도의 적(Red), 녹(Green), 청(Blue), 근적외선(NIR) 밴드로 구성된 영상으로 구분되어 있다.
제안 방법
1. 1/5,000 수치지형도로부터 추출한 등고선과 표고점, 그리고 하천표석을 중심으로 구축한 횡단측선 레이어를 수정 편집하여 0.2m 간격의 정밀 침수구역도를 구축하였으며, IKONOS 위성영상을 기반으로 RGB Composite 및 가우스 영상강조기법을 이용하여 침수지역에 대한 실감정보를 제공할 수 있었다. 다만, 향후에는 침수에 취약한 저지대를 중심으로 LiDAR 측량자료를 구축하여 활용함으로서 보다 신뢰성 있는 침수구역도 제작이 필요하리라 판단된다.
ER 모델을 통해 데이터들간의 관계를 정의하였으며, 다음 단계로서 각 자료들에 대한 데이터베이스를 설계하였다. 본 연구에서는 대표적으로 FLDWAV 모델을 통해 모의된 하천 횡단측점별 홍수위정보 관련 DB 테이블 명세서를 표 3에 제시하였다.
GIS 데이터베이스 서버에는 블루마블에서 제공하는 지구본, 남한지역의 Landsat TM 영상 그리고 남강댐주변의 IKONOS 영상자료를 비롯하여 침수범람구역, 유역경계, 행정구역경계, 관측소(수위, 우량, 수질) 자료가 탑재되어 웹기반의 서비스가 가능하도록 구성하였다.
그림 3은 홍수범람 가시화시스템 개발을 위한 연구프로세스로서 먼저, 지형자료는 국토지리정보원에서 구축한 1/5,000 NGIS 수치지형도를 기반으로 댐하류 하천주변지역에 대한 등고선(7111, 7114)과 표고점(7217)을 추출하였으며, 추출된 등고선의 부재 및 부정합, 그리고 등고선 및 표고점의 속성 오류에 대한 편집작업을 수행하였다. 본 연구는 제내지 구역에 대한 침수영역을 가시화하는 것으로서 하천구역 안쪽인 제외지의 횡단측량 성과물은 반영하지 않았다.
남강댐을 기준으로 낙동강본류가 만나는 하천연장은 약 82로서, 본 연구에서는 하천구역을 중심으로 약 3~5의 횡단구간에 대한 수치지형을 구축하였다.
중복지역을 제거하지 않을 경우 불필요한 데이터 용량으로 홍수범람지역 가시화시스템상에서 영상기반 검색 및 관리기능에 많은 부하를 야기하게 된다. 또한 영상의 촬영시기가 상이하여 영상의 인접 경계면에서 발생하는 색조 차이는 가우스 영상강조 기법을 이용하여 상호 보완하였다.
ER 모델을 통해 데이터들간의 관계를 정의하였으며, 다음 단계로서 각 자료들에 대한 데이터베이스를 설계하였다. 본 연구에서는 대표적으로 FLDWAV 모델을 통해 모의된 하천 횡단측점별 홍수위정보 관련 DB 테이블 명세서를 표 3에 제시하였다.
수정 편집한 등고선과 표고점을 이용하여 DEM을 제작하였으며, 이로부터 20cm 간격의 세부 등고선을 재생성하였다. 1/5,000 수치지형도의 수직정확도 허용오차 기준은 약 1.
약 500m 구간별로 모의되는 홍수위 정보를 이용한 홍수 범람지역 가시화를 위해 측점별로 하천측선 폴리곤을 생성하고 생성된 폴리곤에 남강댐하류의 156개 횡단측점번호를 이용한 고유코드를 부여하였으며, 세부 등고선과의 공간중첩(Intersection Overlay)을 통해 그림 4와 같은 하천측선폴리곤과 등고선이 조합된 벡터기반의 침수구역도를 생성하였다. 생성된 침수구역도는 각 횡단측점번호별로 모의된 홍수위정보를 공간검색하여 각 구간별 침수영역을 사용자에게 제공하게 된다.
홍수범람 가시화를 위한 시스템 개발환경은 iWorld 엔진을 기반으로 VB ActiveX 방식의 웹 어플리케이션 프로그램 형태로 개발하였으며, 특히 기존 시스템들과의 충돌 및 향후 업그레이드를 고려하여 일반화된 형태의 프로그래밍을 수행하였다. 표 1은 시스템 분야별 개발환경을 나타낸 것이다.
IKONOS 영상은 1m 해상도의 전정색 영상과 4m 해상도의 적(Red), 녹(Green), 청(Blue), 근적외선(NIR) 밴드로 구성된 영상으로 구분되어 있다. 홍수범람가시화를 위해RGB와 근적외선 밴드로 구분된 4m 해상도의 영상에 대한 영상 Composite를 수행한 후 1m 해상도의 전정색 영상과의 영상융합(Image Fusion)을 통해 1m 해상도의 다중분광영상을 구축하였다. 본 연구에서 이용한 영상융합 방법은 컬러공간변환 및 치환방법중 대표적인 방법인 RGB-IHS 상호 변환으로서, 이 방법은 강도-색조-채도 컬러좌표시스템을 의미한다.
홍수범람지역 가시화시스템은 클라이언트 프로그램, 웹서버, DB서버로 구성하였으며, 클라이언트 부분은 iWorld 3차원 GIS 엔진을 기반으로 VB의 ActiveX로 개발하였고 DB는 XML로 통신하는 방법을 이용하였다.
대상 데이터
따라서 수직정확도 측면에서 볼 때 본 연구에서 구축한 20cm 간격의 세부 등고선은 지형경사가 큰 산간지에서는 오차특성이 비교적 적지만 완경사지역이나 기복변위가 심한 곳에서는 표고오차가 크게 나타나게 된다. 따라서, 정밀한 DEM 제작을 위해서는 LiDAR(Light Detection And Ranging) 측량과 같은 보다 정밀한 지형 포인트를 취득해야 하나, 남강댐 하류 약 82km에 대한 기구축된 LiDAR 자료가 없는 관계로 본 연구에서는 1/5,000 수치지형도를 이용한 세부 등고선을 3차원 가시화시스템 테스트를 위한 시험 자료로 활용하였다. 본 연구에서는 댐하류 구간의 실시간 홍수위자료를 연계하여 실시간으로 홍수범람지역을 효과적으로 가시화하는데 목적을 두었으며, 향후 침수에 취약한 하천구간에 대한 별도의 LiDAR 측량자료가 확보된다면, 본 연구에서 개발된 침수지역 실시간 가시화 시스템에 직접 탑재하여 운영이 가능할 것이다.
본 연구에서는 디지털글로브사의 구글어스, NASA의 월드 윈드, 그리고 iWorld 등의 국내외 3차원 GIS 엔진의 기술 동향 및 장단점을 분석한 결과, 국내에서 개발된 3차원 엔진이 압축기술이나 자료처리 기술 측면에서 국외의 3차원 GIS 엔진들과 비슷한 성능을 가지고 있는 것으로 분석되었다. 특히, 본 연구에서는 국내의 3차원 GIS 엔진중 영상 압축기술 및 실시간 랜더링 기술이 우수한 글로브 기반의 iWorld 엔진을 선정하였다. iWorld 엔진은 고정밀도의 좌표값을 사용하며 대용량의 자료처리를 위한 쿼드트리 구조를 지향한다.
하드웨어의 구성은 GIS 서버, DB 서버, 웹서버로 구성되어 있으며, 소프트웨어의 구성은 표 2와 같이 DB서버를 위한 Oracle, 웹서버를 위한 윈도우 2003 서버 그리고 3차원 GIS 엔진으로 iWorld 1.0을 이용하였다.
이론/모형
FLDWAV는 DWOPER와 DAMBRK에 포함되어 있지 않은 혼합류흐름계산, 다중하도의 추적기능, Kalman Filter 기능 등 중요한 기능도 포함하고 있으며, 단일수로나 수지형 수로에서의 1차원 부정류 해석이 가능하다. 해석을 위해서 Saint-Venant 식의 가중 4점 음해형 유한차분기법을 이용하여 수공구조물을 포함한 다양한 조건에서의 부정류 흐름해석을 수행하게 되며, 단일하도 또는 지류를 포함한 하도망을 구성하는 하천에서 실시간으로 홍수파의 흐름해석이 가능하다.
성능/효과
2. iWorld 엔진의 TextureMaker와 HeightMaker 모듈을 이용하여 위성영상과 DEM 자료에 대한 타일링 및 레벨링을 수행함으로서 스트리밍 방식에 적합한 피라미드 형태의 데이터 파일을 생성하였으며, 이러한 최적화 자료를 통해 넓은 지역에 대한 홍수범람가시화의 속도를 향상시킬 수 있었다.
3. 홍수범람가시화시스템은 「침수범람구역」, 「침수이력」, 「레이어관리자(LayerManager)」,「위치찾기(PlaceFinder)」로 구성되어 있으며, 이중 「침수이력」기능을 통해 과거의 침수실적 조회가 가능하므로 침수에 취약한 지역을 사전에 효과적으로 파악할 수 있으며, 또한위치찾기(PlaceFinder)기능을 통해 침수시 영향을 받는 하천주변의 시설물 및 관측소 현황을 신속하게 파악할 수 있도록 하였다.
6m(∆H/3, ∆H=등고간격)이다. 따라서 수직정확도 측면에서 볼 때 본 연구에서 구축한 20cm 간격의 세부 등고선은 지형경사가 큰 산간지에서는 오차특성이 비교적 적지만 완경사지역이나 기복변위가 심한 곳에서는 표고오차가 크게 나타나게 된다. 따라서, 정밀한 DEM 제작을 위해서는 LiDAR(Light Detection And Ranging) 측량과 같은 보다 정밀한 지형 포인트를 취득해야 하나, 남강댐 하류 약 82km에 대한 기구축된 LiDAR 자료가 없는 관계로 본 연구에서는 1/5,000 수치지형도를 이용한 세부 등고선을 3차원 가시화시스템 테스트를 위한 시험 자료로 활용하였다.
iWorld 엔진은 고정밀도의 좌표값을 사용하며 대용량의 자료처리를 위한 쿼드트리 구조를 지향한다. 또한 멀티쓰레드 기법에 의한 독립적인 운영환경제공 및 실시간 메쉬구성 알고리듬을 통한 최적 영상제공 등이 가능한 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 디지털글로브사의 구글어스, NASA의 월드 윈드, 그리고 iWorld 등의 국내외 3차원 GIS 엔진의 기술 동향 및 장단점을 분석한 결과, 국내에서 개발된 3차원 엔진이 압축기술이나 자료처리 기술 측면에서 국외의 3차원 GIS 엔진들과 비슷한 성능을 가지고 있는 것으로 분석되었다. 특히, 본 연구에서는 국내의 3차원 GIS 엔진중 영상 압축기술 및 실시간 랜더링 기술이 우수한 글로브 기반의 iWorld 엔진을 선정하였다.
60m로 높아짐에 따라 왼쪽지역의 저지대가 점차 침수되어 제방까지 밀려오는 모습을 확인할 수 있다. 이것은 지형자료 구축시 제방부분의 등고값을 반영한 결과로서, 수위가 20.00m에서 제방 상단의 표고값까지 올라온 후에 제방이 침수되는 실제 현상을 효과적으로 가시화할 수 있었다. 또한 그림 13(c)의 20.
후속연구
4. 또한 홍수범람가시화시스템의 「침수범람구역」기능을 통해 홍수분석모형(COSFIM)과 FLDWAV 모델을 통해 모의된 156개 횡단측점에 대한 실시간 침수지역 가시화가 가능하게 되었으며, 이를 통해 홍수시 댐방류에 따른 하류지역의 침수취약지역 검토 및 홍수재해시 다양한 의사결정체계를 지원할 수 있을 것으로 판단된다.
2m 간격의 정밀 침수구역도를 구축하였으며, IKONOS 위성영상을 기반으로 RGB Composite 및 가우스 영상강조기법을 이용하여 침수지역에 대한 실감정보를 제공할 수 있었다. 다만, 향후에는 침수에 취약한 저지대를 중심으로 LiDAR 측량자료를 구축하여 활용함으로서 보다 신뢰성 있는 침수구역도 제작이 필요하리라 판단된다.
따라서, 정밀한 DEM 제작을 위해서는 LiDAR(Light Detection And Ranging) 측량과 같은 보다 정밀한 지형 포인트를 취득해야 하나, 남강댐 하류 약 82km에 대한 기구축된 LiDAR 자료가 없는 관계로 본 연구에서는 1/5,000 수치지형도를 이용한 세부 등고선을 3차원 가시화시스템 테스트를 위한 시험 자료로 활용하였다. 본 연구에서는 댐하류 구간의 실시간 홍수위자료를 연계하여 실시간으로 홍수범람지역을 효과적으로 가시화하는데 목적을 두었으며, 향후 침수에 취약한 하천구간에 대한 별도의 LiDAR 측량자료가 확보된다면, 본 연구에서 개발된 침수지역 실시간 가시화 시스템에 직접 탑재하여 운영이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
홍수관리시스템은 몇 단계로 구성되어 있는가?
낙동강수계 댐군홍수조절 연계운영시스템 구축사업의 기본 방향은 유역을 일관한 홍수량 해석, 하천홍수량 최소화를 위한 연계운영시스템 구축, 홍수위험지구 및 조위를 고려한 침수 및 범람예측시스템 개발 그리고 신속한 의사결정을 위한 홍수관리제도 및 체제 정비방안을 수립하여 홍수피해를 최소화하는데 있다. 홍수관리시스템은 5단계로 구성되어 있는데, 먼저 1단계에서는 수위자료 등과 같은 원시자료를 관리하고, 2단계에서는 데이터처리시스템 및 실시간 수문자료 관리시스템과 같은 데이터를 모니터링하게 된다. 그리고 3단계에서는 강우예측모형 등과 같은 홍수예측모형을 수행하고, 4단계에서는 저수지 모의모형과 같은 댐 연계모형을 구동하며, 마지막 5단계에서는 홍수조절효과분석, 홍수평가 및 훈련시스템을 담당하는 사후분석이 수행된다(건설교통부·한국수자원공사, 2007).
홍수관리시스템의 5단계에서는 무엇이 수행되는가?
홍수관리시스템은 5단계로 구성되어 있는데, 먼저 1단계에서는 수위자료 등과 같은 원시자료를 관리하고, 2단계에서는 데이터처리시스템 및 실시간 수문자료 관리시스템과 같은 데이터를 모니터링하게 된다. 그리고 3단계에서는 강우예측모형 등과 같은 홍수예측모형을 수행하고, 4단계에서는 저수지 모의모형과 같은 댐 연계모형을 구동하며, 마지막 5단계에서는 홍수조절효과분석, 홍수평가 및 훈련시스템을 담당하는 사후분석이 수행된다(건설교통부·한국수자원공사, 2007).
낙동강수계 댐군홍수조절 연계운영시스템 구축사업의 기본 방향은 무엇인가?
낙동강수계 댐군홍수조절 연계운영시스템 구축사업의 기본 방향은 유역을 일관한 홍수량 해석, 하천홍수량 최소화를 위한 연계운영시스템 구축, 홍수위험지구 및 조위를 고려한 침수 및 범람예측시스템 개발 그리고 신속한 의사결정을 위한 홍수관리제도 및 체제 정비방안을 수립하여 홍수피해를 최소화하는데 있다. 홍수관리시스템은 5단계로 구성되어 있는데, 먼저 1단계에서는 수위자료 등과 같은 원시자료를 관리하고, 2단계에서는 데이터처리시스템 및 실시간 수문자료 관리시스템과 같은 데이터를 모니터링하게 된다.
최혁준, 한건연, 김광섭(2006) 위성정보에 의한 강우예측과 홍수 유출 및 범람 연계 해석(II) : 적용 및 분석, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제26권, 제6B호, pp. 605-612
한승희(2007) 유비쿼터스 행정중심복합도시 기반조성을 위한 고해상 3D 지형모델링, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제27권, 제6D호, pp. 775-782
Andrea Tonini, Enrico Guastaldi, Giovanni Massa, and Paolo Conti (2008) 3D geo-mapping based on surface data for preliminary study of underground works: A case study in Val Topina (Central Italy), Engineering Geology, Vol. 99, pp. 61-69
Sabins, F. F. (1987) Remote Sensing Principles and Interpretation, 2nd ed., San Francisco : W. H. Freeman, pp. 251-252
Venkatesh Merwade, Aaron Cook, and Julie Coonrod (2008) GIS techniques for creating river terrain models for hydrodynamic modeling and flood inundation mapping, Environmental Modelling & Software, Vol. 23, pp. 1300-1311
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