[논문]NDVI를 이용한 습윤지표를 기준으로 습윤 및 건조상황의 분류 방법 제안

김주철; 신사철; 이상진; 황만하

[국내논문] NDVI를 이용한 습윤지표를 기준으로 습윤 및 건조상황의 분류 방법 제안
Suggestion of Method to Classify Moisture or Dryness Condition from Moisture Index Obtained by NDVI 원문보기

한국지리정보학회지 = Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, v.12 no.4, 2009년, pp.84 - 94

김주철 (한국수자원공사 수자원연구원) , 신사철 (안동대학교 토목공학과) , 이상진 (한국수자원공사 수자원연구원) , 황만하 (한국수자원공사 수자원연구원)

초록
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NOAA/AVHRR 자료를 이용하여 얻어진 습윤지표 시계열 자료는 기왕의 연구로부터 지역의 습윤 및 건조 상황을 파악하는데 유용한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 금강유역에 대하여 기후학적 물수지 모형에 의하여 얻어진 습윤지표를 습윤 및 건조 기후조건으로 구분하기 위하여 재분류하였다. 습윤지표와 지역의 가뭄상황을 비교해 본 결과 지역의 습윤지표가 습윤/건조 상황의 탐지뿐만 아니라 징후의 감지, 지속기간 및 강도의 추정에도 대단히 유효함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 누적통계량에 따라 습윤지표를 기후구분으로 분류하는 단순화된 방법을 제시하였다. 또한 습윤지표의 정확성 검증을 위하여 습윤지표와 동일한 지역에서 발생한 지역적 실제 가뭄현상과의 비교를 통해 본 습윤지표의 활용성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Moisture Index time series derived from NOAA/AVHRR data have showed to be useful for humid and arid states. The humid/arid states of the Geum river basin are classified by means of the moisture index estimated from the climatic water budget model. Validations showed that the moisture index has excellent ability to detect humid/arid conditions and to measure time of its onset, intensity and duration. In this study, a simple method to classify the moisture index is proposed by statistical distribution condition. Also, the moisture index is compared with the regional actual state to detect drought area.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 습윤지표가 유역의 습윤 혹은 건조상태를 반영한다고 하나 습윤지표에 익숙하지 않은 사용자의 경우 직관적으로 이 지표만을 이용하여 유역의 상황을 판단하기에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 습윤지표를 통계학적 분포특성에 따라 유역의 습윤 및 건조 상황으로 분류하는 방법을 제안하였으며, 이를 바탕으로 당시 사회적 현상과의 연관성 등을 통하여 가뭄을 평가하는 방법을 제안하였다.
그러나 이러한 습윤지표 및 재분류항목이 실제 가뭄상황을 얼마나 잘 묘사하고 있는지를 평가하기는 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 연속적인 가뭄이 발생하여 비교적 사회적 문제가 야기되었던 2000년과 2001년 봄가뭄을 대상으로 당시의 신문기사를 토대로 습윤 지표와 사회현상을 비교 검증하기로 하였다.
NDVI를 이용하여 기후학적 물수지 방법을 통한 습윤지표는 유역의 습윤상황뿐 만 아니라 건조상황까지도 고려할 수 있으며, 이로부터 금강유역의 습윤 및 건조상황을 분류하여본 결과 2000년과 2001년의 연 전반에 걸친 건조 상황이 잘 묘사되고 있으며 이 습윤지표가 실제 현상을 잘 반영하고 있음을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 산정된 습윤지표의 사용성을 제고하기 위하여 누가확률에 따라 분류하여 기후상태로 구분하는 방법을 제안하였으며 사회현상과의 연관성을 통하여 본 습윤지수의 정확성을 검증하고자 노력하였다. 그 결과 분류된 기후구분이 2000년과 2001년의 실제 가뭄상황을 잘 묘사하고 있는 것으로 판단되었다.

제안 방법

333, Arid)로 3등분 하였다. 다음으로 세 구간을 누가확률의 등간격에 따라 다시 3등분 하여 총 9개의 습윤/건조 상황을 설정하였다. 표 2는 상기 과정에 따라 본 연구에서 설정한 습윤/건조 상황의 분류기준으로서 건조와 습윤은 각각 강(Severe), 중(Mild), 약(Weak) 그리고 정상은 건조정상(AN, Arid Normal), 정상(N, Normal), 습윤정상(HN, Humid Normal)으로 세분화하였다.
이러한 부족수분량과 과잉수분량이 각각 가뭄과 홍수에 관한 정보를 제공하고 있으나 사용자에 따라서는 이를 조합한 하나의 지표가 보다 더 유용하게 이용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이 두 자료를 이용하여 물부족과 물과잉현상을 포함하는 하나의 지표로서 습윤지표를 이용한다.
우선 기왕 최대치(354.4)와 최소치(-221.1)에 따라 극한습윤(EH, Extreme Humid)과 극한건조(EA, Extreme Arid) 조건을 정의하고 양자 사이의 구간을 누가 확률 P(x)에 따라 습윤(0.666 < P(x), Humid), 정상(0.333 < P(x) < 0.666, Normal), 건조(P(x) < 0.333, Arid)로 3등분 하였다.
우선 우리나라에서 통상적으로 가뭄이 발생하고 있는 봄철(3월～6월)의 누적 강우량을 중 권역별(그림 2 참조)로 구하여 강우현상 만으로 가뭄이 발생할 수 있는 해를 유추하였다. 그림 6에서 볼 수 있는 바와 같이 2000년과 2001년의 경우 3, 4, 5월의 강우가 극히 적어 가뭄발생 가능성이 있으며 실제로 우리나라 전역에 극심한 가뭄을 가록하였다.
월별 습윤지표의 분포특성을 조사하기 위하여 발생도수를 산정하여 도수분포도를 작성하였다. 이때 이용한 계급의 수는 Sturge(Haan, 2002)에 의해 제안된 방법에 따라 계급수 7을 적용하였다.
이상과 같이 월별로 습윤지표를 산정하고 이를 다시 건조 및 습윤상황을 파악할 수 있도록 재분류하였다. 그러나 이러한 습윤지표 및 재분류항목이 실제 가뭄상황을 얼마나 잘 묘사하고 있는지를 평가하기는 쉽지 않다.
전술한 바와 같이 본 연구에서는 NOAA/AVHRR 자료를 이용하여 정규화식생지수(NDVI)를 산정하고 기후학적 물수지에 의하여 1998년부터 2004년까지 7개년간의 습윤지표를 산정하였다. 그 산정과정은 기존의 연구(신사철 등, 2008)에 자세하게 기술하고 있으므로 여기서는 생략하기로 한다.
다음으로 세 구간을 누가확률의 등간격에 따라 다시 3등분 하여 총 9개의 습윤/건조 상황을 설정하였다. 표 2는 상기 과정에 따라 본 연구에서 설정한 습윤/건조 상황의 분류기준으로서 건조와 습윤은 각각 강(Severe), 중(Mild), 약(Weak) 그리고 정상은 건조정상(AN, Arid Normal), 정상(N, Normal), 습윤정상(HN, Humid Normal)으로 세분화하였다.

대상 데이터

본 연구는 국토해양부의 수자원단위지도에 근거한 금강권역을 대상 유역으로 하고 있다. 금강은 전라북도 장수군 장수읍에서 발원하여 충청남·북도를 거쳐 충청남도와 전라북도의도계를 이루면서 군산만으로 유입되는 우리나라 제 3의 하천이다.
본 연구에서 분석용으로 사용하고 있는 위성자료는 미국의 해양대기청(NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration)에 의해 운영되고 있는 NOAA/AVHRR 기상위성 자료이며 우리나라 기상청의 협조를 받아 취득하였다. 사용자료의 기간은 1998년부터 2004년까지 7개년간이며, 구름이 적고 왜곡이 없는 자료를 선별하여 3월부터 11월의 자료를 대상으로 월단위 분석을 실시하였다.
본 연구에서 분석용으로 사용하고 있는 위성자료는 미국의 해양대기청(NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration)에 의해 운영되고 있는 NOAA/AVHRR 기상위성 자료이며 우리나라 기상청의 협조를 받아 취득하였다. 사용자료의 기간은 1998년부터 2004년까지 7개년간이며, 구름이 적고 왜곡이 없는 자료를 선별하여 3월부터 11월의 자료를 대상으로 월단위 분석을 실시하였다.

이론/모형

본 연구에서는 기 수행된 연구결과(신사철 등, 2008; 신사철 등, 2006b; 신사철과 안태용, 2007)를 바탕으로 기후학적 물수지(Thornthwaite, 1948) 방법에 의하여 1998년부터 2004년까지의 금강유역에 대한 습윤지표를 산정하였다. 그러나 습윤지표가 유역의 습윤 혹은 건조상태를 반영한다고 하나 습윤지표에 익숙하지 않은 사용자의 경우 직관적으로 이 지표만을 이용하여 유역의 상황을 판단하기에는 어려움이 있다.
또한 과잉수분량이 발생하는 경우 습윤지표는 양(+)의 값을 갖게 되며 이는 지표면 유출과 관련된다. 본 연구에서는 신사철 등 (2008)이 식 (1)에 따라 금강유역에 대하여 산정한 월별 습윤지표를 통계학적 분포특성에 따라 구분하여 유역의 습윤 및 건조 상황을 분류하는데 이용하였다.
본 연구에서는 유역의 습윤 및 건조 상황을 파악하기 위하여 전술한 기후학적 물수지 모형을 이용한다. 기후학적 물수지 모형을 적용하기 위해서는 강우량과 증발산량 분석 자료가 필요하며 이들의 대소관계에 의해 부족수분 혹은 과잉수분이 발생한다.
그 중 NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)라 알려진 정규화 식생지수가 가장 널리 이용되고 있으며 인공위성 영상 자료로부터 지표면의 식생피복과 관련된 정보를 얻기 위한 수단으로 사용되어 왔다. 본 연구에서도 획득한 NOAA/AVHRR 자료를 이용하여 NDVI를 산정하여 분석에 활용하고 있다.
월별 습윤지표의 분포특성을 조사하기 위하여 발생도수를 산정하여 도수분포도를 작성하였다. 이때 이용한 계급의 수는 Sturge(Haan, 2002)에 의해 제안된 방법에 따라 계급수 7을 적용하였다. 그림 3은 이로부터 작도된 습윤지표의 도수분포도를 나타낸 것이며, 그림 4는 이를 이용하여 산정한 누가확률분포도로서, 본 연구에서는 도시된 누가확률 점들에 대하여 5차 다항식 형태의 회귀식을 작성하여 임의 누가확률에 대한 습윤지표의 추정에 적용하였다.

성능/효과

NDVI를 이용하여 기후학적 물수지 방법을 통한 습윤지표는 유역의 습윤상황뿐 만 아니라 건조상황까지도 고려할 수 있으며, 이로부터 금강유역의 습윤 및 건조상황을 분류하여본 결과 2000년과 2001년의 연 전반에 걸친 건조 상황이 잘 묘사되고 있으며 이 습윤지표가 실제 현상을 잘 반영하고 있음을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 산정된 습윤지표의 사용성을 제고하기 위하여 누가확률에 따라 분류하여 기후상태로 구분하는 방법을 제안하였으며 사회현상과의 연관성을 통하여 본 습윤지수의 정확성을 검증하고자 노력하였다.
또한 본 연구에서 산정된 습윤지표의 사용성을 제고하기 위하여 누가확률에 따라 분류하여 기후상태로 구분하는 방법을 제안하였으며 사회현상과의 연관성을 통하여 본 습윤지수의 정확성을 검증하고자 노력하였다. 그 결과 분류된 기후구분이 2000년과 2001년의 실제 가뭄상황을 잘 묘사하고 있는 것으로 판단되었다. 그러나 매우 복잡하게 나타나는 가뭄현상의 전부를 포착한다는 것은 불가능한 일이므로 결과의 정확성 검증을 위한 다각도의 노력이 이루어져야 한다.
반면에 2002년과 2003년 3월의 경우 비교적 적은 강우량으로 인하여 약한 가뭄을 예상할 수 있으며 4월 이후의 정상적인 강우량으로 인하여 심한 가뭄으로 발전하지 않았음을 예상할 수 있다. 이러한 현상은 표 3의 분류표에서도 잘 나타나고 있어 실제 강우량과 본 연구에서 분류하고 있는 분류상황과 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

유역차원에서의 정보는 비교적 넓은 지역을 대상으로 하므로 지점에서의 정보수집방법보다는 공간적 기법 및 원격탐사에 의한 방법을 이용하는 것이 공간적 혹은 질적 불균형이 없는 연속적인 자료를 수집하는 효과적인 방법이다(신사철 등, 2008). 따라서 이들의 시도는 대규모 유역관리 측면에서 유역의 습윤 및 건조 상황에 관한 양질의 정보를 제공할 수 있는 체계적인 시스템 개발을 위한 기초 연구로서 평가할 수 있을 것이다.
증발산현상은 물 순환과정의 한 부분을 구성 하는 요소로서 이의 변화는 유역의 습윤 및 건조 상황이나 유출특성에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 또한 이러한 변화들은 연쇄적으로 나머지 물 순환과정들에 복합적으로 영향을 주게 되어 결국 물 순환과정 전반에 걸쳐 과거와는 다른 각종 수문기상학적 특성들을 양산하게 될 것이다.
그러나 매우 복잡하게 나타나는 가뭄현상의 전부를 포착한다는 것은 불가능한 일이므로 결과의 정확성 검증을 위한 다각도의 노력이 이루어져야 한다. 본 연구의 성과로서 타당한 결과를 제시할 수 있다면 가뭄 발생 시 각종 기상조건의 시나리오 설정을 통하여 가뭄이 되풀이 되고 있는 우리나라에서 가뭄의 조기경보를 위해 효과적인 도구로서 이용될 수 있을 것이다.
이러한 경향들을 유역 단위 물 관리 차원에서 고려해 보면 가용 수자원의 시·공간적 편재현상의 심화로 해석할수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부족수분량이란 무엇인가?	물의 공급과 기후학적 물수요와의 비교에 의해 복잡한 자연지형 하에서의 물이동에 대한 정보가 파악된다. 부족수분량(water deficit)은 기후학적 수요량과 실제 공급량과의 차이로 정의되며, 과잉수분량(water surplus)은 식물에 의한 수요량 이상의 수분량으로 정의된다. 여기서 부족수분량은 식생의 성장을 유지 하기 위하여 관개 등에 의해 공급되어야 할 양이며, 과잉수분량은 지하에 침투하는 양과 하천수에 의해 손실되는 부분으로 표면류와 지표하유출에 의한 유출을 포함하고 있다.
	과잉수분량은 무엇을 포함하는가?	부족수분량(water deficit)은 기후학적 수요량과 실제 공급량과의 차이로 정의되며, 과잉수분량(water surplus)은 식물에 의한 수요량 이상의 수분량으로 정의된다. 여기서 부족수분량은 식생의 성장을 유지 하기 위하여 관개 등에 의해 공급되어야 할 양이며, 과잉수분량은 지하에 침투하는 양과 하천수에 의해 손실되는 부분으로 표면류와 지표하유출에 의한 유출을 포함하고 있다.
	증발산량의 변화는 무엇을 초래하는가?	예를 들어 평균 기온의 상승은 중요한 수문기상학적 인자 중의 하나인 증발산량의 변화를 초래하게 된다. 증발산현상은 물 순환과정의 한 부분을 구성 하는 요소로서 이의 변화는 유역의 습윤 및 건조 상황이나 유출특성에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 또한 이러한 변화들은 연쇄적으로 나머지 물 순환과정들에 복합적으로 영향을 주게 되어 결국 물 순환과정 전반에 걸쳐 과거와는 다른 각종 수문기상학적 특성들을 양산하게 될 것이다.

참고문헌 (15)

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신사철, 황만하, 고익환, 이상진. 2006a. 식생 및 기온정보를 조합한 증발산량 산정을 위한 간편법 제안. 한국수자원학회논문집 49(4):363-372.
신사철, 정수, 김경탁, 김주훈, 박정술. 2006b. NDVI를 이용한 가뭄지역 검출 및 부족수분량산정. 한국지리정보학회지 9(2):102-114.

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신사철, 황만하, 고익환. 2008. 기후학적 물수지에 의한 유역의 건조 및 습윤 상황 감시 기법 개발. 한국수자원학회논문집 41(2):173-184.

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신사철, 안태용. 2007. 인공위성 자료를 활용한 광역증발산량의 산정방법 개발. 한국지리정보학회지 10(2):71-81.

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신현석, 김홍태, 박무종. 2004. GIS와 GCUH를 이용한 돌발홍수 기준우량 산정의 타당성 검토 연구. 한국수자원학회논문집 37(5):407-424.

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이주헌, 정상만, 김재한, 고양수. 2006. 가뭄모니 터링 시스템 구축: II. 정량적 가뭄 모니터링 및 가뭄전망기법 개발. 한국수자원학회논문집 39(9):801-812.

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한국수자원공사. 2004. 실시간 물 관리 운영 시스템 구축 기술 개발. 13-174쪽.
한국수자원공사. 2006. 가뭄관리정보체계 수립 보고서.
Haan, C.T. 2002. Statistical methods in hydrology. Iowa State Press. 378pp.
Hamon, W.R. 1961. Estimating potential evapotranspiration. Proc. Am. Soc. Civil Engineering, J. of the Hydraulics Divisions. Vol. 87, pp. 107-120.
Legates, D.R. and Mather, J.R. 1992. An evaluating of the average annual global water balance. Geographical review. Vol. 82, pp. 253-267.

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Shahin, M. 1985. Hydrology of Nile basin. Elsevier. 562pp.
Tateishi, R. and C.H. Ahn. 1996. Mapping evapotranspiration and water balance for global land surfaces. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing. 51:209-215.

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Thornthwaite, C.W. 1948. An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review. Vol. 38, pp. 55-94.

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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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