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문제 정의
- 이 연구에서는 현재 해안 침식이 많이 발생하고 있는 동해안 울진 지역에 대하여 항공사진, 항공 LiDAR와 고해상도 광학위성 영상을 이용하여 장기적인 해안선 변화를 시계열적으로 관측하고자 한다. 과거로부터 최근 시기까지의 항공사진을 최대한 활용하고, 상대적으로 자료 취득이 용이한 국내 고해상도 광학 위성 영상자료의 활용을 극대화함으로써, 한국해양연구원 동해연구소가 위치하고 있는 울진군 죽변면의 침식/퇴적에 의한 해안선 장기 변화를 관측하고자 한다.
- 이 연구에서는 경상북도 울진군 죽변면 한국해양연구원 동해연구소가 위치한 동해안 지역에 대하여 장기적인 해안선 변화분석을 실시하였다. 영상은 취득 가능한 항공사진 및 고해상도 광학위성영상을 모두 활용하였으며, 1971년부터 2009년까지 약 40년에 걸친 해안선의 침식 및 퇴적 양상을 관측하였다.
- 이 연구에서는 현재 해안 침식이 많이 발생하고 있는 동해안 울진 지역에 대하여 항공사진, 항공 LiDAR와 고해상도 광학위성 영상을 이용하여 장기적인 해안선 변화를 시계열적으로 관측하고자 한다. 과거로부터 최근 시기까지의 항공사진을 최대한 활용하고, 상대적으로 자료 취득이 용이한 국내 고해상도 광학 위성 영상자료의 활용을 극대화함으로써, 한국해양연구원 동해연구소가 위치하고 있는 울진군 죽변면의 침식/퇴적에 의한 해안선 장기 변화를 관측하고자 한다.
제안 방법
- 이 연구는 변화벡터분석법과 tasseled cap 변환을 이용하여 해안선 일대에서의 대규모 변화 및 미 세한 변화를 관측 하였다. 그러나 사용된 영상 간의 시간 간격이 지질학적 작용에 의한 변화가 나타나기에는 짧은 간격이었으며, 해안선 변화 보다는 해안선 일대에 서의 지형적 변화를 관측하였다. 이러한 영상의 변화 탐 지 기법은 해안선 변화 분석보다는 주로 해안 지역에서 의 지형 변화 또는 토지 이용 변화 분석에 많이 이용 되고 있다(Mas, 1999' Berlanga-Robles and RuizLuna, 2002' Chen et al.
- 기하보정이 완료된 영상들로부터 각각 해안선을 추출하였다. 해안선 추출은 육안 분석을 통하여 디지타이징 하였으며 해안선 디지타이징은 상용프로그램인 ER-mapper를 이용하였다.
- 특히 모래와 해수의 반사도는 750 nm ~ 1200 nm 파장대부분 (근적외선)에서 매우 다르게 나타났다. 따라서 이를 이용하여 영상에서 해안선 추출시 기준을 반사도가 매우 다르게 나타나는 해수와 모래의 경계로 하여 추출하였다. 위성 영상으로부터 해안선 추출 시에는 모래와 해수의 반사도가 매우 다른 근적외선 밴드를 이용 하였으며 항공사진의 경우 green과 blue 밴드를 이용하여 해안선을 추출하였다.
- 고해상도 영상으로부터의 해안선을 추출시에는 파랑의 쳐오름 효과에 의해 wet sand 가 존재하여 정확한 해안선을 구분하기 어렵다. 따라서 정밀한 해안선을 추출하기 위하여 2010년 6월 9일에 현장조사를 실시하여 wet sand, dry sand 및 해수 (50 cm; 발목정도, 100 cm; 무릎정도 위)의 반사도를 측정하였다(Fig. 2). 반사도 측정 결과 wet sand와 dry sand의 반사도 형태는 서로 유사하지만 반사도 강도는 서로 다르게 나타났다.
- 2008년 6월 항공사진 영상은 항공라이다로 촬영한 영상을 정사영상으로 제작한 것이다. 또한, 이 연구에서는 항공 LiDAR 자료를 이용하여 DEM을 제작하였다. 항공 LiDAR는 지상의 표고자료를 측정하여 매핑하는 시스템으로서 높은 효율성과 정확도를 가지며 기후에 관계없이 주야로 자료획득이 가능하다.
- 따라서 이를 이용하여 영상에서 해안선 추출시 기준을 반사도가 매우 다르게 나타나는 해수와 모래의 경계로 하여 추출하였다. 위성 영상으로부터 해안선 추출 시에는 모래와 해수의 반사도가 매우 다른 근적외선 밴드를 이용 하였으며 항공사진의 경우 green과 blue 밴드를 이용하여 해안선을 추출하였다.
- 국내에서는 원중선과 유홍룡 1995)이 Landsat TM 자료를 이용하여 경기만 지역에서 해안선 변화를 관측 한 바 있다. 이 연구는 변화벡터분석법과 tasseled cap 변환을 이용하여 해안선 일대에서의 대규모 변화 및 미 세한 변화를 관측 하였다. 그러나 사용된 영상 간의 시간 간격이 지질학적 작용에 의한 변화가 나타나기에는 짧은 간격이었으며, 해안선 변화 보다는 해안선 일대에 서의 지형적 변화를 관측하였다.
- 이때 고속계산기가 출발 펄스와 반사 펄스 사이의 비행시간을 계산하여 거 리로 환산하고 이로부터 DEMe 각 발사파와 동조하는 항공기의 정확한 위치와 방향 그리고 각 레이저 펄스의 비행거리를 보간함으로써 생성된다(김대식, 2003). 이 연구에서는 관측된 자료를 이용하여 1m X 1m 간격으로 DEM 자료를 생성하였다.
- IKONOS 위성은 1999년 9월 24일에 발사하였으며 1 m 의 전정색 밴드(panchrematic)와 4 m 해상도를 가지는 가시광선과 근적외선 사이의 다중분광(multispectral)의 4개밴드를 가지고 있다. 이번역구에서는 1 m 해상도를 가지는 IKN0S 의 전정색 영상과 4 m의 다중분광 4개 밴드 영상을 영상 선명화(image sharpenin이방법을 이용하여 1 m의 해상도를 가지는 다중분광 영상으로 변환된 영상을 이용하였다. 이 방법은 공간해상도가 낮고 분광해 상도가 좋은 영상과 공간해상도가 높고 분광해 상도가 낮은 영상을 가지고서 공간해상도와 분광해 상도를 모두 높이는 방법 이다.
- 6c의 19기년부터 2009년까지 A 지역의 경우 해안선이 바다쪽으로 약 120 이의 해안선 이동이 일어났으며, B 지역은 약 82 m, C 지역은 약 38 m 정도로 이동한 것으로 분석되었다. 특히 발전소 방파제 전 후의 이동량을 살펴보기 위하여 방파제 건설이 관측된 2000년 12월 영상을 기준으로 하여 이동량을 계산하였다. 그 결과 D 지역의 경우 1980년 ~ 2000년까지 해안선이 바다쪽으로 약 30 m 가 이동하였으며, 2000년 ~ 2009년까지는 약 90 m가 이동하였다.
대상 데이터
- 5 이로 기존의 위성영상에 비하여 매우 높다. 2008년 6월 항공사진 영상은 항공라이다로 촬영한 영상을 정사영상으로 제작한 것이다. 또한, 이 연구에서는 항공 LiDAR 자료를 이용하여 DEM을 제작하였다.
- 연구지역은 경상북도 울진군 죽변면 후정리 부근의 연안 지역이며, 북위 37도 4분 - 37도 6분 동경 129도 22분 30초 - 129도 25분에 위치한다(Fig. 1). 울진군이 위치한 경상북도의 총 해안선 길이는 428 km이며, 이중 모래 해안은 110.
- 해안선 변화분석을 실시하였다. 영상은 취득 가능한 항공사진 및 고해상도 광학위성영상을 모두 활용하였으며, 1971년부터 2009년까지 약 40년에 걸친 해안선의 침식 및 퇴적 양상을 관측하였다. 또한, 항공 LiDAR 자료를 이용하여 정밀 DEM을 형성하여 지형을 분석 하였다’ 그 결과 원자력 발전소 부근은 전체적으로 낮고 완만한 지형을 보이며, 한국해양연구원 동해연구소 부근은 높은 지형을 가지며 해안쪽에서 급격한 경사를 가진다.
- 울진군내에도 죽변 봉평해수욕장, 산포리, 원남 오산 덕신, 후포 등 많은 곳에서 해안 침식이 나타나고 있다. 이 연구는 그 중에서도 한국해양연구원 동해연구소가 위치한 죽변면 후정 리 부근의 모래해안 지역을 그 대상으로 선정하였다.
- 이 연구에 사용한 영상 자료는 항공사진과 IKONOS, KOMPSAT-1, K0MPSAT-2, 항공라이다 자료이다. IKONOS 위성은 1999년 9월 24일에 발사하였으며 1 m 의 전정색 밴드(panchrematic)와 4 m 해상도를 가지는 가시광선과 근적외선 사이의 다중분광(multispectral)의 4개밴드를 가지고 있다.
- 획득된 영상의 기하보정은 2007년 6월에 획득한 KOMPSAT-2 영상을 기준으로 실시하였다. 기하 보정은 영상에서 지상기준점 (ground control points; GCPs)을 선정하여 polynomial 형식으로 실시하였으며, 이때 polynomial order는 linearS.
데이터처리
- 각 영상 별로 GCP 선정 후 나타난 Root mean square (RMS) error는 Table 1 에 정리하였다. RMS error는 영상-영상에서 4 pixel 이내로 선정하였으며 좌표는 모두 동일하게 WGS84/NUTM52 로 하였다.
- 기하 보정은 영상에서 지상기준점 (ground control points; GCPs)을 선정하여 polynomial 형식으로 실시하였으며, 이때 polynomial order는 linearS. 하였다.
이론/모형
- 해안선 추출은 육안 분석을 통하여 디지타이징 하였으며 해안선 디지타이징은 상용프로그램인 ER-mapper를 이용하였다. 고해상도 영상으로부터의 해안선을 추출시에는 파랑의 쳐오름 효과에 의해 wet sand 가 존재하여 정확한 해안선을 구분하기 어렵다.
성능/효과
- 6c는 좀 더 자세히 살펴보기 위하여 가장 최근 영 상인 2009년 K0MPSAT-2 영상과 19기년과 1980년 항공사진에서 추출한 해안선을 나타내었다. 각 시기의 영상에서 추출된 해안선으로부터 변화된 길이를 계산해 본 결과, Fig. 6c의 19기년부터 2009년까지 A 지역의 경우 해안선이 바다쪽으로 약 120 이의 해안선 이동이 일어났으며, B 지역은 약 82 m, C 지역은 약 38 m 정도로 이동한 것으로 분석되었다. 특히 발전소 방파제 전 후의 이동량을 살펴보기 위하여 방파제 건설이 관측된 2000년 12월 영상을 기준으로 하여 이동량을 계산하였다.
- 이 지역도 방파제 건설 전후의 이동량을 알아보기 위하여 2000년 12월을 기준으로하여 이동량을 계산하였다. 그 결과 D 지역의 경우 퇴적으로 인하여 1971년부터 2000년까지 해안선이 바다쪽으로 14 m 이 동하였고 이후 2003년까지 육지쪽으로 약 31 m 정도 이동하였다. 즉, 19기년부터 2003년까지 퇴적으로 인하여 해안서이 바다쪽으로 45 m 이동하였다.
- 김용석과 홍순헌 (2007)은 1987년, 1996년 및 2002년 항공사진을 이용하여 부산 지역 연안의 해안선 변화를 시계열적으로 분 석하였다. 그 결과 과거에 비하여 해안의 면적이 많이 줄어들었으며 가장 큰 원인으로는 해안 개발로 분석하였다. 이재원 외 (2008)는 real-time kinematic (RTK)-GPS 측량을 통하여 실시간으로 변화하는 해안 선을 실측하고, 항공 LiDAR 자료에서 추출한 해안선과 비교 분석을 통하여 침식 및 퇴적 면적을 파악하였다.
- 이러한 이유는 영상분석 결과 알 수 있었다. 연구 지역의 해안선 분석 결과 Fig. 8과 유사하게 연안구조물 전후로 구조물 근처 지역에는 많은 양의 퇴적이 일어났으며 그 이외의 지역에서 침식양상이 나타나는 것을 알 수 있었다. 하지만 이는 추후에 물리학적 및 퇴적학적으로 많은 연구가 필요하다.
- F 지역의 경우 19기년 ~ 2000년에는 해안선이 바다쪽에서 육지 쪽으로 약 9 m가 이동하여 침식현상을 보이며 2000년 ~ 2009년까지 퇴적에 의하여 해안선이 바다 쪽으로 약 44 m 이동하였다. 즉, 전체적으로 원자력 발전소 근방으로 갈수록 많은 퇴적이 일어나고 있는 것을 확인 할 수 있었으며, 원자력 발전소 방파제 건설 전보다 그 이후로 특히 많은 퇴적이 일어나는 것을 확인 하였다.
- 3은 19기년 8월부터 2009년 10월까지 연구지 역전 반에 걸친 해안선의 형태를 보여주고 있다. 총 9장의 영상으로부터 동일 지역인 죽변면 일대의 해안선을 추출한 결과, 연구지역 최북단 해안의 원자력발전소가 생기기 이전인 19기년과 1980년대에는 해안선이 직선 형태로 분포하고 있다(Fig. 3a and b). 그러나 원자력 발전소 건설 이후인 2000년대 이후의 영상에서는 발전소 방파제 주변의 해안선 형태가 변화하는 것을 알 수 있다(Fig.
- 반면에 한국해양연구원 동해연구소 바로 앞 해안은 1971년부터 2003년까지는 퇴적이 일어났지만 2003년부터 2009년까지는 침식이 우세하게 나타났다. 퇴적량 세부 분석 결과' 원자력 발전소 방조제 부근에서는 19기년 이후부터 꾸준히 퇴적 현상으로 인하여 해안선이 육지에서 해안 쪽으로 최대 약 120 m 이동하였다. 반면에, 한국해양연구원 동해연구소 바로 앞 해안은 1971년부터 2003년도까지는 해안선이 육지쪽에서 해안쪽으로 최대 약 47 m 이동하였으며, 2003년 이후에는 다시 해안쪽에서 육지 쪽으로 최대 약 40 m 이동하였다.
- 반면에, 한국해양연구원 동해연구소 바로 앞 해안은 1971년부터 2003년도까지는 해안선이 육지쪽에서 해안쪽으로 최대 약 47 m 이동하였으며, 2003년 이후에는 다시 해안쪽에서 육지 쪽으로 최대 약 40 m 이동하였다. 특히 원자력 발전소 방파제 건설 전후의 퇴적량을 살펴본 결과 원자력 발전소 부근의 경우 방파제 전보다 그 이후에 많은 퇴적이 일어났으며, 한국해양연구원 동해연구소 앞 해안 지역은 방파제 전에는 퇴적이 일어났으며 2003년까지도 계속적인 퇴적이 일어났다. 하지만 2003년 이후에 많은 침식으로 인하여 해안선이 점차 해안에서 육지 쪽으로 이동하였다.
후속연구
- 하지만 이는 추후에 물리학적 및 퇴적학적으로 많은 연구가 필요하다. 뿐만 아니라 더 많은 양의 영상자료를 이용한 정밀 시계열 분석이 필요할 뿐만 아니라 현장 조사를 통한 지속적인 검증이 필요하다. 이러한 해안선 변화 연구는 현재 해안선 정보 구축에 이용될 수 있다.
- 8과 유사하게 연안구조물 전후로 구조물 근처 지역에는 많은 양의 퇴적이 일어났으며 그 이외의 지역에서 침식양상이 나타나는 것을 알 수 있었다. 하지만 이는 추후에 물리학적 및 퇴적학적으로 많은 연구가 필요하다. 뿐만 아니라 더 많은 양의 영상자료를 이용한 정밀 시계열 분석이 필요할 뿐만 아니라 현장 조사를 통한 지속적인 검증이 필요하다.
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