[논문]지리정보시스템과 통합된 분포형 강우-유출 모의 시스템 개발

최윤석; 김경탁; 심명필

지리정보시스템과 통합된 분포형 강우-유출 모의 시스템 개발
Development of Distributed Rainfall-Runoff Modelling System Integrated with GIS 원문보기

한국지리정보학회지 = Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, v.12 no.3, 2009년, pp.76 - 87

최윤석 (한국건설기술연구원 수자원연구실) , 김경탁 (한국건설기술연구원 수자원연구실) , 심명필 (인하대학교 사회기반시스템공학부)

초록
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지금까지 대부분의 분포형 모형에서는 수문해석을 위한 모형과 지리정보시스템이 파일을 기반으로 자료 호환이 가능하도록 개발되어 왔다. 또한 모형 구동상의 편의성 향상을 위해서 두 시스템을 연계하여 운영할 수 있는 인터페이스 시스템이 개발되기도 하였다. 본 연구에서는 이와 같이 파일 혹은 인터페이스를 이용한 모형의 연계가 아닌 모형과 지리정보시스템이 통합된 모의 시스템을 개발하고자 한다. 본 연구에서는 물리적 기반의 분포형 강우-유출 모형인 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model)과 HyGIS(Hydro Geographic Information System)가 하나의 시스템으로 통합된 HyGIS-GRM을 개발하였다. 이를 통해서 입력자료의 구축과 적용의 전 과정을 하나의 시스템에서 수행할 수 있게 되었으며, 분포형 모형의 구동 및 결과의 분석에 대한 효율성을 높일 수 있었다. 또한 지리정보시스템과 분포형 모형의 통합 운영을 위한 절차를 수립함으로써 객관적인 모의환경을 제공할 수 있었으며, 수자원 모형과 지리정보시스템의 통합 시스템 개발을 위한 기반기술을 확보할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most distributed models have been developed for data interchange between model for hydrological analysis and GIS(Geographic Information System). And some interface systems between them have been developed to operate the model conveniently. This study is about developing integrated system between model and GIS not coupled system based on file interchange or interface system. In this study, HyGIS-GRM which is integrated system between GRM(Grid based Rainfall-runoff Model) which is physically based distributed rainfall-runoff model and HyGIS(Hydro Geographic Information System) have been developed. HyGIS-GRM can carry out all the processes from preparing input data to appling them to model in the same system, and this operation environment can improve the efficiency of running the model and analyzing modeling results. HyGIS-GRM can provide objective modeling environment through establishing the process of integrated operation of GIS and distributed model, and we can obtain fundamental technologies for developing integrated system between GIS and water resources model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 “Integration” 방법의 개념을 기반으로 하여 물리적 기반의 분포형 강우-유출 모형인 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model)(최윤석 등, 2008a)과 HyGIS(한국건설기술연구원, 2007)가 통합된 HyGIS-GRM을 개발하였으며, HyGIS-GRM의 개발 과정과 시스템의 특징을 기술하고자 한다. 또한 이를 통해서 지리정보시스템과 통합된 분포형 모형의 설계 및 개발 과정을 고찰하고, 개발된 모의 시스템의 운영에 대한 효율성과 시스템적 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 “Integration” 방법의 개념을 기반으로 하여 물리적 기반의 분포형 강우-유출 모형인 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model)(최윤석 등, 2008a)과 HyGIS(한국건설기술연구원, 2007)가 통합된 HyGIS-GRM을 개발하였으며, HyGIS-GRM의 개발 과정과 시스템의 특징을 기술하고자 한다.
본 연구에서는 HyGIS와 GRM 모형을 통합함으로써 지리정보시스템과 통합된 분포형 강우-유출 모의 시스템인 HyGIS-GRM을 개발하고자 한다. 지리정보시스템과 모형이 통합된 시스템을 개발하기 위해서는 지리정보시스템에서 제공하는 GIS 응용프로그램 개발 도구 및 이와 호환할 수 있는 프로그램 개발 언어를 사용하여야 한다.
본 연구에서는 물리적 기반의 분포형 강우-유출 모형인 GRM과 지리정보시스템이 통합된 HyGIS-GRM을 개발하였다. HyGIS-GRM은 GEOMania GIS의 범용 툴인 GMMap의 add-on으로 구동되며, 이에 따라서 GMMap 및 HyGIS, GMTools 등에서 제공하는 다양한 공간정보 생성, 분석 및 관리 기능을 함께 이용할 수 있다.

가설 설정

또한 1차원 운동파 방정식을 사용하고 있기 때문에 모든 흐름은 하류의 단일 방향으로만 발생되는 것으로 가정하며, 경사가 “0”이거나 상류 방향으로의 흐름은 해석하지 않는다.

제안 방법

HyGIS-GRM은 (주)지오매니아의 범용 GIS 툴인 GMMap의 add-on으로 개발하였다. GMMap은 지도, 좌표계, 파일 변환, 공간 데이터베이스, 렌더링 등 범용적인 GIS 기능을 포함하고 있으며, HyGIS와 GMTools 등과 같은 add-on 모듈을 이용해서 수문학적 지형정보 생성 도구와 다양한 데이터 처리 도구를 함께 운영할 수 있다.
HyGIS-GRM은 범용적인 GIS 기능을 손쉽게 활용하고, HyGIS와 직접 연계하여 운영할 수 있게 하기 위해서 HyGIS와 같이 GMMap의 add-on으로 개발하였다. GMMap의 add-on으로 개발된 HyGIS-GRM은 GMMap에서 메뉴바 혹은 풀다운 메뉴로 사용할 수 있으며, 데이터의 생성, 조회 및 모형 구동의 전과정을 동일한 환경에서 수행할 수 있다.
모형설정 도구에서는 유출모의를 위한 사용자 지정 환경변수와 모형의 초기조건, 하도 매개변수, 흐름제어 조건, 매개변수 보정, 모의 옵션 등에 대한 매개변수를 설정하고, 유출모의를 위한 검사체적의 정보와 GRM 모형의 구동환경을 최종적으로 설정한 후 유출모의를 수행한다. 모형설정 도구에서 제공하고 있는 주요한 기능은 표 2와 같다.
본 연구에서 개발된 HyGIS-GRM은 GMMap 환경에서 add-on 하여 운영하며, 이에 따라서 범용적인 GIS 기능뿐만 아니라 HyGIS-GRM 외의 다른 add-on에서 제공하는 기능을 함께 이용할 수 있다. 본 연구를 통해서 개발한 HyGIS-GRM은 GMMap에서 풀다운 메뉴 혹은 메뉴바로 add-on 되며, 그림 8은 메뉴바로 add-on 된 HyGIS-GRM의 세부 메뉴를 나타낸 것이다.

대상 데이터

HyGIS의 Drainage 모듈에서는 gcd 형식으로 생성된 DEM을 이용해서 다양한 수문학적 지형정보를 생성하고 있으며, 이 과정에서 HyGIS-GRM에 직접 이용되는 유역, 경사, 흐름방향, 흐름누적수, 하천망 그리드 레이어를 생성할 수 있다. 또한 하폭, 토성, 토양심, 토지피복 및 강우 레이어 또한 gcd 형식의 그리드 데이터를 사용하고 있다.

이론/모형

운동량방정식은 식(3)을 적용하고 있으며, 식(4)의 Manning의 식을 통해서 유속을 계산하게 된다. 또한 침투의 해석을 위해서는 Green-Ampt 모형을 이용하고 있으며, 지표하 유출은 Beven(1981)에 의해서 제안된 운동파 모형을 기반으로 하는 지표하 유출의 해석 방법을 채택하고 있다. GRM에서는 유한 체적법을 이용해서 지배방정식을 이산화하고있으며, 시간 차원에 대해서는 음해법을 적용하고 있다(최윤석 등, 2008a).
HyGIS-GRM은 이와 같은 구동 환경에서 HyGIS에서 제공하고 있는 공간, 비공간, 시계열 데이터베이스 및 HyGIS-GRM의 Static 및 Dynamic 데이터베이스와 동적으로 연동하면서 운영할 수 있으며, HyGIS-GRM에서의 데이터베이스의 관계 및 데이터의 흐름은 그림 9와 같다. 시계열 자료의 설정 및 공간자료의 생성을 위해서는 HyGIS의 시계열 및 공간데이터베이스를 참조할 수 있으며, GRM 모형의 매개변수 설정을 위해서는 HyGIS-GRM의 Static 데이터베이스를 참조한다. 그림 9에서 GRM 모형은 Static 데이터베이스로부터 획득한 자료를 이용하여 Dynamic 데이터베이스를 생성하며, 모형의 구동 과정에서 Dynamic 데이터베이스와 유기적으로 자료를 교환하면서 프로젝트 단위로 운영된다.

성능/효과

HyGIS-GRM은 GEOMania GIS의 범용 툴인 GMMap의 add-on으로 구동되며, 이에 따라서 GMMap 및 HyGIS, GMTools 등에서 제공하는 다양한 공간정보 생성, 분석 및 관리 기능을 함께 이용할 수 있다. 또한 자료의 구축과 모형의 구동을 동일한 환경에서 일관된 사용자 인터페이스를 이용해서 수행함으로써, 분포형 모형의 구동을 위한 객관적인 모의환경을 구축할 수 있었다.
HyGIS-GRM은 gcd 형식의 그리드 레이어를 자료변환 없이 직접 이용하고 있으며, 이에 따라서 지리정보시스템과 연계된 기존의 모형에서 요구 되었던 모형의 입력자료 생성을 위한 파일변환의 과정이 필요 없게 되었다. 또한 지리정보시스템의 자료를 직접 접근해서 참조함으로써 모형 구동의 전처리 과정을 간략화 할 수 있으며, 모형의 수행과정 및 모의결과의 분석 과정에서 손쉽게 다양한 지리정보 레이어와 종합적으로 분석할 수 있다.
GMMap은 지도, 좌표계, 파일 변환, 공간 데이터베이스, 렌더링 등 범용적인 GIS 기능을 포함하고 있으며, HyGIS와 GMTools 등과 같은 add-on 모듈을 이용해서 수문학적 지형정보 생성 도구와 다양한 데이터 처리 도구를 함께 운영할 수 있다. 본 연구에서 개발된 HyGIS-GRM은 GMMap 환경에서 add-on 하여 운영하며, 이에 따라서 범용적인 GIS 기능뿐만 아니라 HyGIS-GRM 외의 다른 add-on에서 제공하는 기능을 함께 이용할 수 있다. 본 연구를 통해서 개발한 HyGIS-GRM은 GMMap에서 풀다운 메뉴 혹은 메뉴바로 add-on 되며, 그림 8은 메뉴바로 add-on 된 HyGIS-GRM의 세부 메뉴를 나타낸 것이다.

후속연구

이러한 상황에서 HyGIS-GRM은 지리정보시스템과 모형이 통합된 시스템으로 격자를 기반으로 하는 분포형 모형을 운영하기 위한 효과적인 환경을 제공할 수 있었다. 또한 본 연구를 통해서 획득한 기술들은 향후 지리정보시스템과 수자원 모형이 통합된 시스템을 개발할 때 참고할 수 있는 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
HyGIS-GRM은 HyGIS에서 제공되는 하천 네트워크 기반의 공간, 비공간, 시계열 데이터베이스를 직접 참조할 수 있다. 이에 따라서 HyGIS에서 제공되는 다양한 데이터베이스를 이용해서 손쉽게 모형의 입력자료를 구축하고 모의결과를 분석할 수 있을 뿐만 아니라, HyGIS-Model 환경에서 구동되는 다른 모형들과의 연계분석이 가능해 짐으로써, 동일한 문제에 대해 다각적인 분석을 수행할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 분포형 모형에는 무엇을 필요로 하는가?	일반적으로 분포형 모형에서는 많은 양의 지형 및 수문 시계열 자료의 처리를 필요로 하고 있으며, 특히 격자를 기반으로 하는 모형의 경우 일정한 크기의 격자형 지형정보를 필요로 한다. 이와 같은 모형의 지형정보를 구축하기 위해서는 벡터 혹은 그리드 형태의 고도 자료를 이용해서 모형에서 활용 가능한 그리드 형태의 지표면 고도자료를 생성해야 하며, 이를 기반으로 수문학적 지형정보를 생성하고 모형의 입력자료로 활용하게 된다.
	“Integration” 방법은 무엇인가?	“Interchange”와 “Interface” 방법의 개념을 기반으로 한 다양한 coupling 방법(Brandmeyer와 Karimi, 2000)과는 달리 “Integration” 방법은 두 가지 이상의 시스템을 하나의 시스템으로 통합하는 것을 의미한다. 통합된 하나의 시스템은 각 시스템이 가지고 있던 기능과 특징은 유지하되, 사용자 인터페이스와 내부적인 자료의 포맷 및 흐름에 대한 구분이 없이 상호 간에 완전 연동되어 구동하게 된다.
	지리정보시스템과 모형이 통합될 경우 가지는 장점은?	지리정보시스템과 모형이 통합될 경우 기존의 모형에 지리정보시스템의 기능이 추가되므로, 분석의 기능만을 가지는 모형에 비하여 소스코드의 양이 늘어나고 복잡해지는 단점이 있다. 그러나 이와 같은 통합 시스템에서는 모형의 수정이 곧 전체 시스템의 수정을 의미하게 되므로 시스템의 유지관리 및 개선이 용이하다는 장점을 가지게 된다. 또한 모형의 입력 자료 생성을 위한 추가적인 파일변환을 필요로 하지 않으며, 입력자료가 모의과정에서 미치는 영향과 모의결과를 다양한 지형공간 자료와 손쉽게 직관적으로 분석함으로써 모형의 적용 및 분석에 대한 효율성을 높일 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (19)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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