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문제 정의
- 한 국가의 기본도로 제작되기 위해서는 기본적인 축적에 맞추어 지도화 할 수 있는 표준화된 방안이 필요하지만 아직 우리나라는 이를 위한 표준화된 프레임이 마련되어 있지못하고, 또한 국내에서 제작된 습지지도들은 이차원적 표현에 국한되어 습지의 기능 및 특성분성에 한계를 보인다. 따라서 본 연구에서는 이를 보완하면서 3차원 습지지도를 만드는방안과 그 활용방안을 제시하고자 하는데, 이러한 3차원 습지지도의 장점은 습지경계 설정에 유리하고, 평면지도로 파악하기 어려운 습지의 기능 및 특성분석이 가능해, 이와 같이제작된 지도는 여러 용도로 이용할 수 있다.
- 하지만 국내 연구는 아직 이러한 항공 LiDAR 측량을 이용해 습지에 적용한 사례가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 최근 측량 및 GIS DB 구축의 다양한 분야에서 활용되고 있는 항공 레이저 측량(Airborne LiDAR Survey)기법과 우리나라 고해상도 위성영상(KOMPSAT-2)과 미국의 지구환경 관측위성인 Landsat TM을 적용하여 습지의 공간정보구축에 대한 연구를 수행하고자 하며, 이러한 연구방법은 우리나라 습지 목록제작에 대한최신 자료제공과 기법제시의 중요한 수단으로서 그 역할을 담당하는데 필요성이 있고, 이러한 연구방법에 의해 국가습지목록의 제작 방법에 대한 새로운 프레임 제시와 함께, 시간과 경제적인 비용 절감에 기여하고자 한다.
- 본 연구는 낙동강 하구지역을 대상으로 원격탐사와 지리정보체계 기술을 중심으로 습지 목록에 관한 2차원 및 3차원 정보를 종합해그 활용방안을 제시한 것으로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그림 3과 4에서 보는 바와 같이 낙동강 하구는 삼각주와 연안 사주가 잘 발달된 지역으로, 사주에 의해 외해의 해수 교환이 차단되며 사주 내부에 형성된 넓은 간석지는 염분이 비교적낮아, 다양한 해안성 식물이 분포하며, 갈대가 우점종으로 존재한다. 본 연구에서는 갈대군락의 갈대생산력 지도는 습지의 생산력 상태를측정할 수 있는 기초자료로 판단하여, 현지조 사에 의한 현존량 조사 자료와 위성영상분석및 지리정보체계의 근접성 분석의 결과로 만들어진 물근접도에 따른 갈대군락별 생산력 분석결과를 정리해 갈대생산력 지도를 제작하 였다(그림 5).
제안 방법
- 갈대군락의 생산력은 여러 가지 환경요인에 의해 영향을 받지만, 특히 토양의 수분포화상태와 연관이 있으므로, 수체(Water body)에서부터 갈대군락들이 얼마만큼 근접해 있는가를 알아보기 위해 사주를 구성하고 있는 갈대군락, 혼합군락, 사빈의 경계에서부터 20m 간격으로 수면으로 부터의 접근성을 측정하는 모듈에 의해 물근접도(Buffer map)를 만들고, 현지조사에서 측정된 갈대군락의 현존량을 바탕으로 각 물근접도에서 구분된 20m 간격 내부 지역의 평균 현존량치와 군락의 면적을 곱하여 각 지역별 생산력을 추정하였다. 생산력을나타내는 방법으로는 연중 최고 성장기의 현존량을 연간 생산력으로 간주하는 방식에 따라, 8월에 측정한 갈대군락의 현존량을 낙동강 하구 사주 및 주변 간석지에 분포하는 갈대군 락에 적용하여 생산력지도로 제작하였다.
- 두 번째 단계는 습지의 영상 분류(Image Classification) 과정이며, 감독 분류(Supervised Classification) 와 무감독분류(Unsupervised Classification)의 결과 중에서 분류의 정확도를 비교해 습지의 특성인 수면, 습도(Moisture)와 식생(Vegetation) 등을 민감하게 반영해 준 자료를 현장과 비교해 최종 채택하였다. 감독분류와 특정 필드 선정 및 최종 분류결과를 검정하는 과정에 있어현지 조사의 결과를 적용하였으며, 현지조사는 주요 습지 식생 군락과 토지이용 현황을 현지 에서 지도에 표시한 결과를 이용해 특정 필드 (Training field) 선정시의 근거 자료로 삼았다.
- 이때 RMS(Root Mean Square) 오차는 1 이하가 되도록 조정하여 기하보정을 실시하였다. 두 번째 단계는 습지의 영상 분류(Image Classification) 과정이며, 감독 분류(Supervised Classification) 와 무감독분류(Unsupervised Classification)의 결과 중에서 분류의 정확도를 비교해 습지의 특성인 수면, 습도(Moisture)와 식생(Vegetation) 등을 민감하게 반영해 준 자료를 현장과 비교해 최종 채택하였다. 감독분류와 특정 필드 선정 및 최종 분류결과를 검정하는 과정에 있어현지 조사의 결과를 적용하였으며, 현지조사는 주요 습지 식생 군락과 토지이용 현황을 현지 에서 지도에 표시한 결과를 이용해 특정 필드 (Training field) 선정시의 근거 자료로 삼았다.
- 본 연구에서 사용된 인공위성자료를 처리하기 위해, 첫 번째 단계는 위성의 관측궤도에따른 기하학적 왜곡을 교정해 지상좌표계와 일치시키는 작업으로서, 영상에 명확히 식별되는 지역에 대한 영상의 좌표와 지도의 좌표를비교․보정함으로 완성되며 컴퓨터 화면상에나타난 영상 자료 중 시각적으로 구별하기 쉬운 교각, 도로의 교차점 및 구조물 모서리 등을 근거로 GCP(Ground Control Point)를 연구 대상 지역에 걸쳐 고루 선정하였다. 이때 RMS(Root Mean Square) 오차는 1 이하가 되도록 조정하여 기하보정을 실시하였다.
- 본 연구에서 채택한 습지 분류는 크게 9개 종류의 습지를 중심으로 분류하였는데 이 분류체계는 미국의 Ohio 주 습지목록의 분류기준과 유사하지만, 낙동강 하구의 실정에 적합 하게 세분화 하며 재조정하였다(Yi et. al., 1994). 이 분류에서 수면(open water)은 해수 (sea water)와 담수(fresh water)로 구분하였 고, 염습지는 간석지(tidal flat-식생이 없는 갯벌), 염습지식물군락지(salt marsh cowered with hydrophyte), 사주(sand bar)로, 담수습지는 초원습지(wet meadow), 관목습지(Scrub/shrub wetland), 습임지(wet woodland), 습농지 (paddy field) 로 비교하였다.
- 본 연구의 주요관심사인 3차원 습지지형도는 국가에서 제작한 1:5,000의 수치지형도로는 지형의 구분이 용이하지 않아 LiDAR 자료를 가지고 습지의 형태를 파악한 후, LiDAR 자료와 함께 촬영한 디지털 영상을 중첩해 분석 하였다(그림 6). 이러한 3차원 습지지형도는 습지의 생태적 현황 파악뿐만 아니라 환경변 화에 따른 생태적 변화를 탐지할 수 있는 중요한 자료가 될 수 있다.
- 갈대군락의 생산력은 여러 가지 환경요인에 의해 영향을 받지만, 특히 토양의 수분포화상태와 연관이 있으므로, 수체(Water body)에서부터 갈대군락들이 얼마만큼 근접해 있는가를 알아보기 위해 사주를 구성하고 있는 갈대군락, 혼합군락, 사빈의 경계에서부터 20m 간격으로 수면으로 부터의 접근성을 측정하는 모듈에 의해 물근접도(Buffer map)를 만들고, 현지조사에서 측정된 갈대군락의 현존량을 바탕으로 각 물근접도에서 구분된 20m 간격 내부 지역의 평균 현존량치와 군락의 면적을 곱하여 각 지역별 생산력을 추정하였다. 생산력을나타내는 방법으로는 연중 최고 성장기의 현존량을 연간 생산력으로 간주하는 방식에 따라, 8월에 측정한 갈대군락의 현존량을 낙동강 하구 사주 및 주변 간석지에 분포하는 갈대군 락에 적용하여 생산력지도로 제작하였다. 데이터베이스 질의를 통하여 물근접성에 따른 평균현존량을 산출한 결과는 수면에서 가까울수록 생산력이 가장 높게 나타났으며, 분포면적 또한 가장 넓었다(표 4).
- 그림 2는 항공 LiDAR 촬영의 취득 및 처리 과정을 나타내었다. 연구 대상지역에 대한 촬영 작업계획을 수립한 후 관계기관으로부터 비행과 보안관련 촬영허가를 취득하고 나면, 영상취득을 위한 최적의 기상조건을 고려하여촬영 작업이 수행되며 본 연구에서는 2009년 3월 1일 오전 10시부터 오후 3시 사이에 촬영작업을 수행하였다. 일반적으로 항공사진의 촬영과 LiDAR 촬영을 분리하여 실시하고 있으나 본 연구에서는 디지털 영상과 LiDAR Point 자료를 동시에 취득하였다.
- 위성영상의 여러 밴드를 중첩해 색조(Tone) 또는 질감(texture)의 차이에 의해 토지피복 특성이 명확히 나타나는 지역만을 특정 필드로 최종 지정해 분류의 근거로 이용하고 분석 하였다. 여러 분류 방법을 비교한 결과 감독분 류의 최소 거리법(Minimum Distance Classifier) 이 정확도가 가장 높게 나타났는데, 최소 거리 법은 입력 화소로부터 모든 분류 항목의 검증 자료에 대한 중심까지의 거리를 계산하여 그거리가 가장 짧은 분류 항목으로 식(1)과 같이처리하고, 표 3과 같이 특정 필드로 처리된 샘플에 Kappa 계수를 적용하여 KOMPSAT-2 위성의 분류 정확도 분석결과를 나타내었다.
- , 1994). 이 분류에서 수면(open water)은 해수 (sea water)와 담수(fresh water)로 구분하였 고, 염습지는 간석지(tidal flat-식생이 없는 갯벌), 염습지식물군락지(salt marsh cowered with hydrophyte), 사주(sand bar)로, 담수습지는 초원습지(wet meadow), 관목습지(Scrub/shrub wetland), 습임지(wet woodland), 습농지 (paddy field) 로 비교하였다. 이렇게 결정한 분류체계와 미국의 다양한 습지 목록과 비교한 결과는 표 1과 같으며, 이 분류에 근거해 현지조사로 파악된 주요 식생은 표 2와 같다.
- 일반적으로 항공사진의 촬영과 LiDAR 촬영을 분리하여 실시하고 있으나 본 연구에서는 디지털 영상과 LiDAR Point 자료를 동시에 취득하였다. 이렇게 취득된 자료로부터 항공삼각측량, 도화 및 편집과정 등을 거쳐 지형도 제작과 정사사진 및 3차원 입체 동영상 등을 구축하였고, 촬영시 최저 저수위는 7cm, 최고 고수위는 153cm, 평균해면은 95.3cm이었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 활용된 연구자료는 Landsat TM(2002년 10월 30일), KOMPSAT-2(2008년 1월 17일 & 2008년 11월 20일) 인공위성 영상 자료와 항공 LiDAR(2009년 3월 1일) 및 국토 지리정보원에서 제작된 수치지형도(1 : 5,000) 등을 사용하였다.
- 본 연구의 공간적 범위는 낙동강 하구 일원으로 넓은 삼각주의 발달로 인한 활발한 농업활동과 다양한 어업활동이 있었을 뿐만 아니라 높은 생산성을 가진 갯벌의 발달로 인하여 수많은 고니, 노랑부리저어새, 재두루미 등 의 천연기념물과 큰기러기, 넓적부리도요, 물수리매 등의 멸종위기종의 물새와 섭금류 종들이 찾아들 뿐만 아니라 개체 수에 있어서도 세계적으로 잘 알려진 철새도래지이자 우리나라의 대표적인 하구생태계로서 국내외 여러 사람들의 관심이 집중되고 있는 지역이다.
- 연구 대상지역에 대한 촬영 작업계획을 수립한 후 관계기관으로부터 비행과 보안관련 촬영허가를 취득하고 나면, 영상취득을 위한 최적의 기상조건을 고려하여촬영 작업이 수행되며 본 연구에서는 2009년 3월 1일 오전 10시부터 오후 3시 사이에 촬영작업을 수행하였다. 일반적으로 항공사진의 촬영과 LiDAR 촬영을 분리하여 실시하고 있으나 본 연구에서는 디지털 영상과 LiDAR Point 자료를 동시에 취득하였다. 이렇게 취득된 자료로부터 항공삼각측량, 도화 및 편집과정 등을 거쳐 지형도 제작과 정사사진 및 3차원 입체 동영상 등을 구축하였고, 촬영시 최저 저수위는 7cm, 최고 고수위는 153cm, 평균해면은 95.
이론/모형
- 지금까지 습지목록에 관한 체계적인 연구는 미국에 의해 시작되었다고 볼 수 있다. 1956년미국 야생동물서비스(USFWS)가 발간한 Circular 39(Fredrickson, 1988)가 습지목록의 효시로볼 수 있는데, 야생조류 서식처 보호를 위해 습지를 분류하는데 초점을 두어, 얕은 수면으로 덮여 있거나 물이 천천히 들어오고 나가는 낮은 지역만을 대상으로 삼아 습지의 경계 설정(Delineation)을 하였다. 그러나 이 작업은야생조류의 서식처 기능외의 습지의 생태적 기능에 관심이 있는 여러 전문가들의 공감대를 얻지 못했다.
성능/효과
- 1. 습지자원의 보존과 관리 시 필요한 습지 생태계 공간자료의 수집 및 분석은 원격 탐사의 영상해독 기법과 지리정보체계의 다양한 분석 기능에 의해 효율적이며 효과적으로 처리할 수 있다.
- 2. 습지목록의 개발 시 2차원 정보로 구분된 지도보다 3차원 지도 자료가 그 활용도가 다양함을 알 수 있었다. 특히, 조류간만의차이에 따른 저서생물의 분포 및 동태 파악, 갈대와 새섬매자기 생산력에 따른 철새의 동태 파악, 철새의 이동에 저해가 되는 다리에 따른 영향 분석 등을 위해 추후 연구가 필요하며 이를 위해 3차원 지도 자료가 유용한 것임을 밝혔다.
- 3. 낙동강 하구 습지는 우점식물종인 갈대, 새섬매자기 등의 식생이 있는 지역과 사빈과 간석지 등 식물이 없는 지역으로 구분될 수 있었으며, 면적은 간석지, 갈대군락, 새섬매자기군락, 사구 순으로 나타났다.
- 4. 낙동강 하구 습지의 우점식물종인 갈대에 의한 생산력을 물근접성에 따라 현지조사의 결과와 비교하여 산출한 결과, 물에서 가까운 내부지역(0～60m)의 생산력이 가장 높게 나타났고, 그 분포면적 또한 가장 넓었다. 이것은 갈대가 수변식물이므로 물에서 가까울수록 생장이 왕성하여 생산량이 증가했기 때문이다.
- 5. 을숙도 침수 모델링을 통하여 약 2m 정도가 침수될 경우 절반이상의 지역이 침수 피해를 입는 것으로 나타났다. 향후 중요한 생태환경지역에 대해서는 침수시뮬레이션이 필요할 것으로 판단된다.
- 6. GIS와 원격탐사 기법을 이용하여 구축한낙동강 하구 습지생태계 데이터베이스는효과적인 습지보존과 관리 분야에 크게 기여할 수 있으며, 이러한 기법들은 우리 나라 전역의 습지목록 작성에 필요한 기술임을 입증하였다.
- KOMPSAT-2 영상과 Landsat TM 영상에 의한 습지 분류도는 그림 3과 4와 같으며, 습지와 관련해 수면, 갯벌, 갈대, 새섬매자기 등의 염생식물 군락지, 사구의 순으로 그 규모가 크게 나타났다. 분류결과 중 특이한 사항은 고해상도(2m) 자료인 KOMPSAT-2 영상의 경우 낙동강 하구의 주요 우점종인 갈대와 새섬매자기 군락의 구분이 용이하였던 반면 Landsat TM 자료(해상도 30m)의 경우 습지 식물 군락의 구분과 나대지와 사구, 건물, 녹지 등 분류 항목의 구분이 용이하지 않았다.
- 생산력을나타내는 방법으로는 연중 최고 성장기의 현존량을 연간 생산력으로 간주하는 방식에 따라, 8월에 측정한 갈대군락의 현존량을 낙동강 하구 사주 및 주변 간석지에 분포하는 갈대군 락에 적용하여 생산력지도로 제작하였다. 데이터베이스 질의를 통하여 물근접성에 따른 평균현존량을 산출한 결과는 수면에서 가까울수록 생산력이 가장 높게 나타났으며, 분포면적 또한 가장 넓었다(표 4). 이것은 갈대의 생산 성이 침수지역이나 건조지역에서 보다 조석에 따라 침수와 건조가 일어나는 지역에서 더 높게 나타난다는 기존 연구 결과와 일치하는 것으로 갈대가 수변식물이라 물에서 가까울수록 생장이 왕성하여 생산량이 증가했기 때문이다.
- 위성영상의 여러 밴드를 중첩해 색조(Tone) 또는 질감(texture)의 차이에 의해 토지피복 특성이 명확히 나타나는 지역만을 특정 필드로 최종 지정해 분류의 근거로 이용하고 분석 하였다. 여러 분류 방법을 비교한 결과 감독분 류의 최소 거리법(Minimum Distance Classifier) 이 정확도가 가장 높게 나타났는데, 최소 거리 법은 입력 화소로부터 모든 분류 항목의 검증 자료에 대한 중심까지의 거리를 계산하여 그거리가 가장 짧은 분류 항목으로 식(1)과 같이처리하고, 표 3과 같이 특정 필드로 처리된 샘플에 Kappa 계수를 적용하여 KOMPSAT-2 위성의 분류 정확도 분석결과를 나타내었다.
- Geological Survey) 에서 제작한 축척 1:24,000 지형도(Topographic map)에 습지의 유형별로 그 결과를 나타내었다(박수영 등, 2000). 이 NWI 는 여러 고도에서 촬영된 항공사진을 판독하는 전형적인 원격탐사 방법을 선택하였는데 그 이유는 넓은유역 내의 습지를 일일이 조사하여 분석하는 단편적인 현장 조사와 수동적 자료 축적 방법은 많은 비용과 시간이 요구되고 있어서, 조사 하고자 하는 지역을 일일이 조사하지 않고 감지된 항공사진을 해독하는 방법을 통해 어떤물체인지 분별할 수 있는 조사 방법을 채택하였고, 그 결과 단편적인 현장조사방법과 비교해 자료 수집에 필요한 많은 시간과 경비를절약할 수 있었다. 1980년대부터는 인공위성과 컴퓨터의 발달에 힘입어, 미국 오하이오주 자연자원부(Ohio Dept.
후속연구
- 이에 대한 영향을 파악하는데 있어, 본 연구의 3차원 자료를 활용할 경우 체계적인 분석이 가능할 것으로 사료 된다. 또한 자동차의 야간 전조등 빛이 서식지에 조사되면, 야생조류에게 생체반응을 일으킬가능성이 있어 추후 교통량이 많을 것으로 예상되는 이 다리로 인한 영향을 구체적으로 파악하기 위한 추가적 연구가 필요하다.
- 본 연구에서 개발된 3차원 습지지형도는 낙동강 하류의 조류 간만에 차이에 따라 침수 모델링, 조류의 차이에 따라 이동하는 조류의 동태파악을 위한 자료로도 활용될 수 있다. 그림 8과 표 5는 낙동강 하구 을숙도 지역의 침수모델링 자료로 해수면 상승에 따른 침수의 정도를 파악한 것이다.
- 75미터를 중심으로 남북방향 폭 800미터이상의 간석지가 큰 물새(백조, 기러기, 학 종류 등)에게 있어 앞으로 이용 곤란한 환경이 되고, 특히 두루미류, 고니류 등은 비상스피드가 늦기 때문에 방향전환이나 이착륙에 많은 거리를 필요로 한다. 이에 대한 영향을 파악하는데 있어, 본 연구의 3차원 자료를 활용할 경우 체계적인 분석이 가능할 것으로 사료 된다. 또한 자동차의 야간 전조등 빛이 서식지에 조사되면, 야생조류에게 생체반응을 일으킬가능성이 있어 추후 교통량이 많을 것으로 예상되는 이 다리로 인한 영향을 구체적으로 파악하기 위한 추가적 연구가 필요하다.
- 습지목록의 개발 시 2차원 정보로 구분된 지도보다 3차원 지도 자료가 그 활용도가 다양함을 알 수 있었다. 특히, 조류간만의차이에 따른 저서생물의 분포 및 동태 파악, 갈대와 새섬매자기 생산력에 따른 철새의 동태 파악, 철새의 이동에 저해가 되는 다리에 따른 영향 분석 등을 위해 추후 연구가 필요하며 이를 위해 3차원 지도 자료가 유용한 것임을 밝혔다.
- 을숙도 침수 모델링을 통하여 약 2m 정도가 침수될 경우 절반이상의 지역이 침수 피해를 입는 것으로 나타났다. 향후 중요한 생태환경지역에 대해서는 침수시뮬레이션이 필요할 것으로 판단된다.
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