[논문]연산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 데이터 모델 분석 및 Application 개발

김동문; 박재국; 양인태; 최승필

연산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 데이터 모델 분석 및 Application 개발
Analysis of the 3D Data Model and Development of an Application for Landslide Region Information Service 원문보기

한국지형공간정보학회지 = Journal of the korean society for geospatial information science, v.18 no.3, 2010년, pp.11 - 19

김동문 (남서울대학교 지리정보공학과) , 박재국 (남서울대학교 지리정보공학과) , 양인태 (강원대학교 토목공학과) , 최승필 (관동대학교 토목공학과)

초록
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최근 들어 우리나라에서는 지역적인 돌발 및 집중강우패턴으로 인해 산사태 등의 자연재해발생이 증가하고 있다. 이에 따라 산사태를 모니터링하고 관리하기 위하여 최신의 3차원 측량장비인 LiDAR 등으로 취득한 고정밀 고밀도의 수치고도자료를 이용하여 산사태지역에서의 변위탐지와 모니터링을 위한 지면변위 연구가 시도되고 있다. 그러나 대용량의 LiDAR 데이터를 처리하는 상업용 소프트웨어는 고가이며, 산사태 분석과 같은 특화된 업무에 적용하기에 무리가 있다. 또한 산사태와 관련된 다양한 공간정보를 다수의 이용자가 쉽게 접근하여 직관적으로 활용할 수 있는 방안이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 시계열 LiDAR 데이터를 처리하여 산사태를 분석할 수 있으며, 해당 지역에서의 지형 및 산사태 관련정보를 다수의 사용자에게 직관적으로 서비스할 수 있는 응용프로그램을 개발하였다. 또한 사례연구를 통해 연구지역에 대한 산사태 현황을 분석할 수 있었으며, 3차원 기반의 산사태 및 지형정보를 직관적으로 서비스할 수 있음을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, Korea has witnessed an increase to natural disasters such as landslides due to localized sudden and intensive rainfalls. Thus there have been researches on surface displacements to detect and monitor displacements in the areas prone to landslides by using high-precision and density numerical elevation data from LiDAR, which is an advanced 3D measuring equipment. However, the commercial software to process large-capacity LiDAR data, is expensive and difficult to be applied to specialized tasks such as analysis of landslide. In addition, there are no measures for many users to easily access diverse spatial information related to landslides and put it to intuitive uses. Thus this study developed an application program to analyze landslides by processing time series LiDAR data and intuitively serve many users with information about the topography and landslides of given areas. It analyzed the current state of landslides in the subject region through case study and proposed that 3D-based landslide and topography information can be served intuitively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2D 기반의 산사태 지역정보 서비스를 실세계의 공간 및 영상 등 다양한 정보를 기반으로 한 3차원 기반의 산사태 지역정보 서비스를 위한 데이터 모델과 산사태 및 관련 공간정보를 관리하고 서비스할 수 있는 프로그램을 개발하기 위해 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
기타 3D 모델에는 Building, Man-made object, 3D Max-3DS 등이 있다. 따라서 산사태의 주요 발생지역인 산악지역에 대한 3차원 데이터 모델이 필요함을 알 수 있으며, 이 연구에서는 산사태 분석과 관리를 위한 3차원 데이터 모델을 개발하기 위해 기존의 산사태 관리를 위한 데이터 처리흐름을 분석하여 가장 적합한 3차원 데이터 모델을 제시하고자 한다.
따라서 이 연구에서는 LiDAR 자료를 활용하여 산사태 발생지역이나 발생가능지역에 대한 산사태 및 관련 공간정보를 일반 사용자에게 제공하기 위해 필요한 산사태 지역정보에 대한 3차원 데이터 모델 표준을 개발하고, 산사태 지역정보를 서비스하기 위한 응용프로그램을 개발하고자 한다.
3차원 시각화 프로그램을 통해 작성한 산사태지역 공간정보는 WMS(Web Map Service)를 통해 서비스가 가능하여야 한다. 이 연구에서는 그림 5에서와 같이 GIS 어플리케이션으로 작성된 산사태지역의 GIS 리소스를 웹으로 발행하기 위하여 GIS서비스를 생성하였다.

제안 방법

3차원 데이터 모델과 관련하여 관련 GIS 기술발전에 대한 동향을 파악하였다. GIS 기술이 도입된 초기에는 3차원 지형분석에 대한 2차원적 표현을 위한 기술이나 3차원 지형 가시화, 3차원 지형분석 등을 위주로 발전하였으며, 1990년대에 들어서는 3차원 가상도시를 구현하기 위한 기술이 도입되어 발전되었다.
3차원 시각화 프로그램의 주요 기능은 아래 표 3에서와 같으며, 기본적으로 기본관리, 데이터 관리, 3D 특화 기능, 변환기능을 구현하기 위한 Document 관리, 사용자 영역관리, 사용자 기능, 3D Analyst, 3D Navigation, Conversion에 대한 기능을 구현하고자 하였다.
LiDAR 등의 자료에 의한 산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 시각화프로그램(뷰어)을 개발하기 위해 산사태 관리 측면에서의 요구분석과 범위를 설정하였다.
LiDAR 등의 자료에 의한 산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 시각화프로그램(뷰어)을 개발하기 위해 요구분석 및 범위 설정, 설계(논리, 물리, 화면), 프로그램 개발(관리자용), 테스트 및 보완 절차로 연구를 진행하였다.
LiDAR 등의 자료에 의한 산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 데이터 모델을 개발하기 위해 3차원 GIS동향 분석, 3차원 데이터 모델 현황 파악, 산사태 관리용 3차원 데이터의 흐름 파악, 산사태 관리용 3차원 데이터 모델 제시 등의 절차에 의해 연구를 진행하였다.
LiDAR 자료는 데이터 보정, 불규칙한 3차원 점 형식으로 기록된 3차원 점들을 필터링을 통해 비지면점과 지형의 지면점을 분리하고 과대 오차(다른 점들보다 0.5m ~5m 낮은 점)를 포함하는 점의 제거, 내삽 등의 과정을 거쳐 격자크기 1m의 DEM을 생성하였다. 국토지리정보에서 1998년도에 제작한(1/5,000) 수치지형도를 DEM(1m격자)으로 작성하였다.
따라서 산사태 관리를 위한 원자료의 취득, DB 가공, 분석 도구(경사도, 주향도, 경사모양도, 음영기복도, 등고선도, 거동 분석), 서비스(3D 시각화, Export, 인터넷 서비스) 등의 데이터 Process 상에서 분석도구와 서비스가 반드시 필요한 항목임을 알 수가 있다. 그래서 이 연구에서는 프로그램 개발의 범위로 분석도구와 서비스를 결정하고 개발을 진행하였다.
변화추이분석에 사용하는 DEM은 산사태 발생이전과 이후에 취득한 LiDAR 자료를 이용하여야 하나 이 연구에서는 산사태 발생이후 자료는 LiDAR 자료를 이용하고, 발생이전 자료는 취득이 용이하지 않아 수치지도를 이용하였다. 상이한 타입의 원자료에 의한 문제를 보완하고자 산사태 발생직후에 촬영한 칼라항공사진을 통해 산사태 발생지역 추출에 대한 보정을 실시하였다.
본 연구에서는 ESRI의 ArcObjects와 C# 프로그래밍 언어를 이용하여 LiDAR 데이터를 이용하여 산사태지역에서의 지형정보를 3차원 기반에서 처리하고 분석할 수 있는 프로그램을 작성하였다.
산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 데이터 모델을 개발하기 위해 기존의 산사태 관리를 위한 데이터 처리흐름을 분석하였다. 산사태 데이터의 처리 흐름은 아래의 그림과 같이 데이터의 취득, 데이터의 분류, 데이터 가공, 데이터 생산, 데이터 서비스의 순으로 진행된다.
산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 시각화프로그램은 타이틀, 메뉴바, 표준 도구모음, TOC, 상태 표시줄, 디스플레이 영역으로 설계하였다.
산사태지역에서의 지형정보를 중심으로 한 공간 데이터 서비스를 위해 웹 서비스 프로그램을 작성하였다. 프로그램은 Google Earth API, ArcGIS Server API for FLEX, JavaScript 등을 이용하여 그림 8에서와 같이 3차원을 기반으로 산사태지역에서의 지형정보를 서비스하도록 구현하였다.
오른쪽 하단에는 지도, 위성, 지형 등의 주제별 인덱스 맵을 제공할 수 있게 하였다. 상단 왼쪽에는 마우스 등의 사용자 입력장치의 3차원 좌표를 사용자 좌표계를 기준으로 표시할 수 있도록 하였으며, 산사태와 관련한 정보는 사용자 입력장치의 클릭 이벤트를 통해 상세정보를 제공받을 수 있도록 구현하였다.
변화추이분석에 사용하는 DEM은 산사태 발생이전과 이후에 취득한 LiDAR 자료를 이용하여야 하나 이 연구에서는 산사태 발생이후 자료는 LiDAR 자료를 이용하고, 발생이전 자료는 취득이 용이하지 않아 수치지도를 이용하였다. 상이한 타입의 원자료에 의한 문제를 보완하고자 산사태 발생직후에 촬영한 칼라항공사진을 통해 산사태 발생지역 추출에 대한 보정을 실시하였다.
생성한 GIS 서비스는 3D 기반으로 웹상에서 서비스가 가능하도록 웹 매핑 어플리케이션, Flex 등으로 사용자 정의 웹 어플리케이션을 작성하였다.
웹 서비스 프로그램은 표 2에서와 같은 항목의 산사태지역에서의 각종 공간정보를 서비스 할 수 있도록 웹 상에서 공유하는 공간정보를 동적 레이어 서비스로 등록할 수 있는 기능을 구현할 수 있는 메뉴를 메인화면의 오른쪽 상단에 구현하였으며, 중앙의 메인화면은 Google에서 제공하는 위성영상을 배경 레이어로 경사도, 경사모양, 음영기복, 주향, DEM 등의 각종 공간정보를 다양하게 중첩 및 조합하는 매쉬업 기능을 통해 사용자가 정보를 좀 더 쉽고 직관적으로 조회 할 수 있도록 구현하였다. 오른쪽 하단에는 지도, 위성, 지형 등의 주제별 인덱스 맵을 제공할 수 있게 하였다.
산사태 지역정보 서비스를 위한 3차원 시각화 프로그램을 개발하기 위한 환경은 윈도우 계열의 OS를 기반으로 개발언어는 C#을 이용하였으며, GIS 엔진과 개발툴은 ArcGIS 엔진과 ArcObject를 이용하였다. 웹 서비스를 위한 프로그램은 Google Earth API, ArcGIS Server API for Flex, JavaScript, Adobe FLEX 등을 이용하여 3차원 기반으로 공간데이터를 서비스하도록 구성하였다.
응용프로그램을 통해 연구지역을 대상으로 구축한 DEM(LiDAR)을 이용하여 그림 9에서와 같이 경사, 주향, 음영기복, 경사모양과 같은 산사태 발생에 영향을 미치는 지형정보를 분석할 수 있다. 또한 2개의 DEM(LiDAR, 수치지도)를 이용하여 산사태와 같은 토사이동에 의한 지형의 변화추이를 분석할 수 있다.
산사태지역에서의 지형정보를 중심으로 한 공간 데이터 서비스를 위해 웹 서비스 프로그램을 작성하였다. 프로그램은 Google Earth API, ArcGIS Server API for FLEX, JavaScript 등을 이용하여 그림 8에서와 같이 3차원을 기반으로 산사태지역에서의 지형정보를 서비스하도록 구현하였다.

대상 데이터

산사태지역정보는 항공 LiDAR 자료로부터 생성할 수 있는 표 4와 같은 항목으로 정의하였다. LiDAR 자료는 표 5와 같은 규격의 장비를 사용하여 취득한 자료를 사용하였다.
5m ~5m 낮은 점)를 포함하는 점의 제거, 내삽 등의 과정을 거쳐 격자크기 1m의 DEM을 생성하였다. 국토지리정보에서 1998년도에 제작한(1/5,000) 수치지형도를 DEM(1m격자)으로 작성하였다. 또한 2002년 9월 촬영한 항공사진(0.
국토지리정보에서 1998년도에 제작한(1/5,000) 수치지형도를 DEM(1m격자)으로 작성하였다. 또한 2002년 9월 촬영한 항공사진(0.5m해상도)을 취득하였다.
연구 대상지역은 강원도 동해시에 위치하였으며, 태풍이나 국지성 폭우 등에 의해 산사태가 빈번히 발생하는 지역이다. 대상지역의 진천유역에 속해 있으며, 주하천의 길이는 6.

성능/효과

3차원 GIS 데이터 모델에 대한 3차원 GIS 동향과 관련하여 법제도 분야에 대한 분석을 위해, 수치지도 작성작업 규칙 내규, 지리정보 DB 설계 지침, 3차원 국토공간정보구축 작업지침, 3차원 국토공간정보제작에 관한 작업규정 등을 검토한 결과, 3차원 데이터 모델과 관련하여 정사영상지도, 3차원 교통/시설물/수자원데이터, 가시화 데이터(모델링, 텍스쳐) 등으로 3차원 데이터를 구분하도록 규정하고 있었다. 이러한 3차원 데이터에 대한 법제도를 종합하여 본 결과 표준 데이터 셋은 교통, 시설물, 수자원 등이며, 2차원 공간정보에 높이정보를 추가하여 사용하고 있으며, 지형에 대한 가시화 정보는 항공사진을 이용하여 정상영상으로 제작하도록 규정되어 있다(한국전산원, 2003).

후속연구

라. 3차원 시각화 서브프로그램의 구현은 전체 산사태 관리시스템 속에서 반드시 필요한 기술로서, 산사태 관리 메인 프로그램에서의 3차원 시각화 서브프로그램과 타 과제와의 연계지원 기술을 개발하여 타 관련분야에서 이용되리라 판단된다.
가. 개발된 데이터 모델과 응용프로그램을 통해 3차원 기반의 산사태 정보 및 관련 공간정보를 분석하고 활용할 수 있는 체계가 마련되었으며, LiDAR 정보 등을 이용한 산사태 지역정보을 웹으로 서비스할 수 있는 기술을 구현하여 산사태 관리 및 서비스를 위한 핵심요소기술로서 제공될 것으로 판단된다.
다. 개발된 산사태 관리기술을 기초로 기존의 산사태 발생지역을 관리하여 사전에 재해를 방지할 수 있으며 그로 인해 산사태 관리를 위한 인적, 경제적 비용의 감소를 가져올 수 있을 것이며 최종적으로는 사회 안정화를 가져와 전반적인 사회 경제적인 이익을 가져올 것으로 판단된다.
그러나 이러한 기술은 2차원 기반의 기술로서 실세계의 공간 및 영상 등에 대한 다양한 정보를 취득하여 활용할 수 없는 한계점이 있다. 따라서 이러한 제한적인 공간분석 및 표현에 대한 단점을 보완하고 3차원 기반 정보를 통해 주기적인 모니터링이 가능하도록 하여 산사태 분석에 적극 활용할 수 있는 3차원 시각화 프로그램을 개발하여 3차원 기반의 산사태 관리가 가능하도록 해야 할 것으로 판단된다(김동문, 2010).
산사태 지역정보 관리와 서비스를 위한 프로그램을 구현하여 제공함으로써 산사태 관리 업무에 보다 간편하고 적절하게 적용하여 관련업무 수행을 위한 직관적인 의사결정 수단으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 추후 시계열 LiDAR 데이터를 확보하였을 경우, 관련 데이터를 이용하여 산사태 발생에 대한 모니터링, 산사태 발생에 대한 거동 예측 등과 같은 다양한 업무 및 활용분야에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
나. 산사태 지역정보 관리와 서비스를 위한 프로그램을 구현하여 제공함으로써 산사태 관리 업무에 보다 간편하고 적절하게 적용하여 관련업무 수행을 위한 직관적인 의사결정 수단으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 추후 시계열 LiDAR 데이터를 확보하였을 경우, 관련 데이터를 이용하여 산사태 발생에 대한 모니터링, 산사태 발생에 대한 거동 예측 등과 같은 다양한 업무 및 활용분야에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3차원 시각화 프로그램의 기본적인 기능에는 어떤 것들이 있는가?	3차원 시각화 프로그램의 주요 기능은 아래 표 3에서와 같으며, 기본적으로 기본관리, 데이터 관리, 3D 특화 기능, 변환기능을 구현하기 위한 Document 관리, 사용자 영역관리, 사용자 기능, 3D Analyst, 3D Navigation, Conversion에 대한 기능을 구현하고자 하였다.
	3차원 데이터의 표준 데이터 셋에는 어떤 것들이 있는가?	3차원 GIS 데이터 모델에 대한 3차원 GIS 동향과 관련하여 법제도 분야에 대한 분석을 위해, 수치지도 작성작업 규칙 내규, 지리정보 DB 설계 지침, 3차원 국토공간정보구축 작업지침, 3차원 국토공간정보제작에 관한 작업규정 등을 검토한 결과, 3차원 데이터 모델과 관련하여 정사영상지도, 3차원 교통/시설물/수자원데이터, 가시화 데이터(모델링, 텍스쳐) 등으로 3차원 데이터를 구분하도록 규정하고 있었다. 이러한 3차원 데이터에 대한 법제도를 종합하여 본 결과 표준 데이터 셋은 교통, 시설물, 수자원 등이며, 2차원 공간정보에 높이정보를 추가하여 사용하고 있으며, 지형에 대한 가시화 정보는 항공사진을 이용하여 정상영상으로 제작하도록 규정되어 있다(한국전산원, 2003).
	2D 기반의 벡터자료로 표현하는 기술의 한계점은 무엇인가?	기존에는 산사태를 확인하며 예측하기 위하여 현장조사, 통계 및 IT 기술을 활용한 주기적인 산사태의 거동을 모니터링하고 있으며 이를 시각화하기 위해서는 2D 기반의 벡터자료로 표현하는 기술이 연구되어졌다. 그러나 이러한 기술은 2차원 기반의 기술로서 실세계의 공간 및 영상 등에 대한 다양한 정보를 취득하여 활용할 수 없는 한계점이 있다. 따라서 이러한 제한적인 공간분석 및 표현에 대한 단점을 보완하고 3차원 기반 정보를 통해 주기적인 모니터링이 가능하도록 하여 산사태 분석에 적극 활용할 수 있는 3차원 시각화 프로그램을 개발하여 3차원 기반의 산사태 관리가 가능하도록 해야 할 것으로 판단된다(김동문, 2010).

참고문헌 (10)

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김동문, 김의명(2009), 지오브라우저를 이용한 지적정보의 서비스 방안, 한국지적학회지, 제25권 제2호, pp.157-172.
김성학, 최승필, 양인태(2008), 지상 LiDAR 자료를 이용한 모형사면의 모니터링, 한국지형공간정보학회지, 제16권 제4호, pp.17-23.

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박재국, 이상윤, 양인태, 김동문(2010), 지상라이다 자료를 이용한 자연사면의 변위 모니터링, 대한토목학회논문집, 제30권 제2D호, pp.191-198.
시종익, 권형진, 하수욱(2003), 3차원 GIS 동향 분석, 한국전산원, 연구보고서.
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상세보기
Brand, E.W. (1988) Landslide Risk Assessment in Hong Kong. Proc. Fifth Int. Symp.on landslides, Vol. 2, pp.1059-1074.
DongMoon Kim, JaeKook Park, InTae Yang(2010), Application Development for Processing and Service of LiDAR Data, The 12th International Symposium of Geospatial Information Science and Urban Planning(GISUP2010, International), pp.18-22.
JaeKook Park, DongMoon Kim, InTae Yang(2010), A Study on the Use of Open API Map Service and Flex Technology for Hazard Map Service, The 12th International Symposium of Geospatial Information Science and Urban Planning(GISUP2010, International), pp.29-38.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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