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문제 정의
- 본 연구에서는 SRTM DEM과 수치지형도를 이용하여 구축한 DEM으로부터 지형관련 인자의 차이점 및 격자기반 강우-유출모형 적용에 따른 결과를 비교함으로써 분포형 모형의 입력 자료로서 SRTM DEM의 적용성을 검토해보고자 한다.
가설 설정
- 농촌진흥청 농업토양정보시스템의 토양통 검색서비스에서 토심, 토양의 점토와 모래의 입경분포를 수집하고 농업과학기술원의 1/25,000 정밀토양도의 토양통 속성을 기준으로 연결하여 구축하였다. 유효토심은 심토(B)층까지의 깊이로 가정하였으며, 유효토심범위에서 표토(A)층과 심토층의 심도가 같은 경우를 제외한 330개 토양통에서 표토층이 차지하는 비율이 최저 4.3%에서 평균 적으로 25.1% 범위를 나타내고 있는바 입경 분포는 심토층의 값을 적용하여 공간자료를 구축하였다. 전체유역면적의 55.
제안 방법
- SRTM DEM과 TOPO DEM의 종단형태를 비교하고자 그림 7과 같이 4개 방향에 대하여 종단형태를 중첩하여 나타내고 상관계수를 비교하였다. 종단방향별로 북에서 남쪽 방향이 0.
- 격자기반 분포형 모형의 적용에서 분석결과에 영향을 미칠 수 있는 표고, 흐름방향, SINK가 처리된 DEM의 표고값과 흐름방향도를 이용하여 산정된 수문학적경사도, 유역셀의 개수에 대하여 SRTM DEM과 TOPO DEM의 결과를 비교하였다. 표 4와 같이 SRTM DEM의 유역셀은 총 26,503개로 하천추출 임계값을 5셀 이상으로 설정한 경우 21,528셀(81.
- 본 연구에서는 충주댐유역을 대상으로 SRTM DEM과 수치지형도를 이용하여 구축한 TOPO DEM의 특성을 파악하고 격자기반 분포형 강우-유출모형에 두 DEM을 적용함에 따라 나타나는 모의결과의 차이를 비교하여 모형의 입력 자료로서 SRTM DEM의 적용성을 분석하였다. 공간해상도 500m로 GIS자료를 구축하였으며, 적절한 흐름방향의 정의를 위하여 DEM을 전처리하였다. 두 DEM으로부터 표고, 흐름방향, 수문학적 경사, 추출된 유역셀의 개수를 비교하여 지형과 관련된 특성의 차이점을 파악하였으며 500m 공간해상도의 SRTM DEM과 TOPO DEM이 매우 유사한 공간특성을 가지고 있음을 파악할 수 있었다.
- (1988)과 Vieux(2004)의 문헌을 참고하여 입력하였다. 농촌진흥청 농업토양정보시스템의 토양통 검색서비스에서 토심, 토양의 점토와 모래의 입경분포를 수집하고 농업과학기술원의 1/25,000 정밀토양도의 토양통 속성을 기준으로 연결하여 구축하였다. 유효토심은 심토(B)층까지의 깊이로 가정하였으며, 유효토심범위에서 표토(A)층과 심토층의 심도가 같은 경우를 제외한 330개 토양통에서 표토층이 차지하는 비율이 최저 4.
- 본 연구에서는 대상유역의 면적이 넓기 때문에 서론에 제시된 바와 같이 모형운영의 효율성을 고려하였으며 실제 모형에 이용되는 셀의 개수가 25,000~30,000개 범위에서 결정될 수 있도록 입력공간자료의 해상도 크기를 500m로 설정하였다. 따라서 CGIAR-CSI 서버로부터 위도 35°N~40°N, 경도 125°E~130°E에 해당하는 영역의 격자해상도 90m의 SRTM DEM을 다운로드하고 Bessel TM 중부원점으로 좌표변환을 실시한 후 500m 공간해상도로 재배열하여 그림 2(a)과 같이 SRTM DEM을 구축하였다.
- 본 연구에서는 충주댐유역을 대상으로 SRTM DEM과 수치지형도를 이용하여 구축한 TOPO DEM의 특성을 파악하고 격자기반 분포형 강우-유출모형에 두 DEM을 적용함에 따라 나타나는 모의결과의 차이를 비교하여 모형의 입력 자료로서 SRTM DEM의 적용성을 분석하였다. 공간해상도 500m로 GIS자료를 구축하였으며, 적절한 흐름방향의 정의를 위하여 DEM을 전처리하였다.
- 따라서 대상지역과 같이 사행이 심한 하천형태를 나타내는 경우 낮은 공간해상도로 변환된 격자하천자료를 전처리에 그대로 적용하게 된다면 적절한 흐름방향을 정의하기 위한 DEM 전처리는 큰 의미가 없게 될 수 있다. 이와 같은 점을 보완하고자본 연구에서는 변환된 격자하천망에서 중복된 셀을 제거하여 DEM 전처리에 적용하였다. 그림 3(1)은 벡터하천망을 공간해상도 500m의 격자하천망으로 변환한 결과를 비교한 것이며 그림 3(2)는 그림 3(1)의 중복된 격자하천자료로 전처리한 DEM으로부터 생성된 하천셀과 흐름방향이다.
- 전처리를 위한 격자하천자료는 수치지형도로부터 추출하여 구축한 벡터하천망을 이용하여 변환하였다. 선형의 벡터자료를 격자자료로 변환할 때 벡터라인이 셀의 경계에 위치하는 정도에 따라 셀 경계부에서 중복되는 형태를 나타내게 되는데, 벡터라인의 굴곡이 심하고 변환하고자 하는 해상도가 낮을수록 변환된 셀의 중복은 더욱 증가하게 되는 것이 일반적인 형태이다.
대상 데이터
- 충주댐유역과 관련 있는 43개 강우관측소(수자원공사 31개소, 국토해양부 7개소, 기상청 5개소)의 1시간 강우자료를 국가수자원관리 종합정보시스템과 기상청으로부터 수집하였고, 분석결과의 평가를 위한 충주댐의 유입량자료는 한국수자원공사홈페이지의 물정보관으로부터 수집하였다. 점 강우자료는 IDW(Inverse Distance Weighting) 기법으로 공간내삽하여 적용하였으며, 내삽에 필요한 가중치는 Franke and Nielson(1980)의 방법을 적용하였다.
- 토지피복도는 2000년 5월 8일 촬영된 Landsat ETM+ 위성영상과 1999년 10월 25일 촬영된 IRS-1D Pan 영상을 융합한 위성영상을 이용하여 구축된 1/25,000 환경부 자료를 이용하였으며, 산림이 전체유역면적의 83.41%, 밭 8.68%, 논 2.75%순으로 구성되어 있다. 토지피복도는 지표면의 조도계수를 분포시키는데 이용되며, 이 값들은 Chow et al.
이론/모형
- 토지피복도는 지표면의 조도계수를 분포시키는데 이용되며, 이 값들은 Chow et al.(1988)과 Vieux(2004)의 문헌을 참고하여 입력하였다. 농촌진흥청 농업토양정보시스템의 토양통 검색서비스에서 토심, 토양의 점토와 모래의 입경분포를 수집하고 농업과학기술원의 1/25,000 정밀토양도의 토양통 속성을 기준으로 연결하여 구축하였다.
- 구축된 DEM을 적용하기 위하여 격자기반 분포형 강우-유출모형 KIMSTORM(gridbased KIneMatic wave STOrm Runoff Model)을 적용하였다(김성준, 1998; 정인균, 2010). KIMSTORM은 대상유역을 일정한 크기의 격자로 구성하고, 각각의 셀에 대한 지형, 지표 및 토양의 물리적인 특성들을 매개 변수로 하여 주어진 시간간격별로 침투, 침루, 지표 및 지표하 유출, 가정된 기저유량을 산정한 후 격자물수지법에 의해 흐름경로를 따라 인접한 셀들로부터의 유입량과 중심 셀에서의 유출량에 대한 물수지를 계산함으로써 유역의 전반적인 수문량에 대한 시간적 변화와 공간적인 분포를 파악할 수 있는 모형이다.
- 반면 AgreeBurn은 격자하천망 주변으로 설정된 셀의 개수만큼 트렌치를 형성하여 DEM 표면을 재구성하는 방법으로 표고 자료의 변형이 크기 때문에 셀의 해상도가 높고 평지가 많은 지형에 적합한 전처리기법이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 지형의 기복이 큰 지역을 대상으로 500m의 낮은 공간해상도로 자료를 구성하였으므로 Streamburning기법을 DEM 전처리 기법으로 채택하였다.
- 충주댐유역과 관련 있는 43개 강우관측소(수자원공사 31개소, 국토해양부 7개소, 기상청 5개소)의 1시간 강우자료를 국가수자원관리 종합정보시스템과 기상청으로부터 수집하였고, 분석결과의 평가를 위한 충주댐의 유입량자료는 한국수자원공사홈페이지의 물정보관으로부터 수집하였다. 점 강우자료는 IDW(Inverse Distance Weighting) 기법으로 공간내삽하여 적용하였으며, 내삽에 필요한 가중치는 Franke and Nielson(1980)의 방법을 적용하였다. 표 1은 분석에 적용된 강우사사상별 특성을 요약한 것이다.
성능/효과
- 두 DEM으로부터 표고, 흐름방향, 수문학적 경사, 추출된 유역셀의 개수를 비교하여 지형과 관련된 특성의 차이점을 파악하였으며 500m 공간해상도의 SRTM DEM과 TOPO DEM이 매우 유사한 공간특성을 가지고 있음을 파악할 수 있었다. 6개 강우사상을 대상으로 강우-유출을 모의한 결과에서도 첨두유출과 유출용적의 상대 오차 평균값이 각각 0.91%, 0.29%로 분석되어 공간해상도를 낮게 구성하여 모의하는 경우 SRTM DEM이나 TOPO DEM 모두 만족할 수 있는 결과를 도출할 있는 공간자료임을 판단할 수 있다. 연구결과를 통해 충주댐유역을 대상으로 분포형 강우-유출모형을 모의하는 경우 다운로드 후 간단한 좌표변환과정으로 지형자료를 구축할 수 있는 SRTM DEM이 충분히 적용가능 함을 파악할 수 있었다.
- 05이하, DTp가 ± 1시간 이내의 조건을 만족하는 경우를 기준으로 한다. 대상지역의 매개변수 검보정은 상기 명시된 자료와 SRTM DEM을 적용하여 정인균 등(2010)이 수행한바 있으며, 4개 강우사상의 매개변수 보정결과로 ME, VCI, EQp, DTp의 평균이 각각 0.929, 1.035, 0.037, -0.406 hr, 2개 강우사상의 검정결과로 ME, VCI, EQp, DTp의 평균이 각각 0.956, 0.939, 0.055, 0.729 hr임을 제시하였다. 본 연구에서는 표 3과 같이 해당연구의 검보정된 매개변수를 적용하였다.
- 09% 낮은 것으로 분석되었다. 두 DEM으로부터 생성한 유역셀을 중첩한 결과 26,463셀(99.8%)의 위치가 일치하였으며, 164셀이 SRTM DEM에서 하천에 위치하였으나 TOPO DEM에서 지표에 위치하였고, 반대의 경우가 172셀로 분석되었다. 그림 6은 일치하는 영역에 대하여 표고와 경사차이를 공간적으로 나타낸 것으로 SRTM DEM의 표고 61.
- 공간해상도 500m로 GIS자료를 구축하였으며, 적절한 흐름방향의 정의를 위하여 DEM을 전처리하였다. 두 DEM으로부터 표고, 흐름방향, 수문학적 경사, 추출된 유역셀의 개수를 비교하여 지형과 관련된 특성의 차이점을 파악하였으며 500m 공간해상도의 SRTM DEM과 TOPO DEM이 매우 유사한 공간특성을 가지고 있음을 파악할 수 있었다. 6개 강우사상을 대상으로 강우-유출을 모의한 결과에서도 첨두유출과 유출용적의 상대 오차 평균값이 각각 0.
- 3% 더 많은 것을 보면 경사의 영향이 있음을 추측할 수 있다. 모든 분석결과를 통하여 본 연구와 같이 공간해상도를 낮게 구성하여 모의하는 경우 SRTM DEM이나 TOPO DEM 모두 만족할 수 있는 결과를 도출할 있는 공간자료임을 판단할 수 있다.
- 29%로 분석되어 공간해상도를 낮게 구성하여 모의하는 경우 SRTM DEM이나 TOPO DEM 모두 만족할 수 있는 결과를 도출할 있는 공간자료임을 판단할 수 있다. 연구결과를 통해 충주댐유역을 대상으로 분포형 강우-유출모형을 모의하는 경우 다운로드 후 간단한 좌표변환과정으로 지형자료를 구축할 수 있는 SRTM DEM이 충분히 적용가능 함을 파악할 수 있었다. 본 연구에서는 500m 공간해상도를 대상으로 분석하였으나 추후에는 90m, 250m의 DEM에 대해서도 적용성을 검토하는 연구가 이루어져야 할 것으로 생각되며, 이와 같은 연구에서도 적용성이 있는 것으로 판단된다면 저해상도 DEM을 사용하는 모델링에서 SRTM DEM의 활용도가 증가할 것으로 기대된다.
- 6%가 TOPO DEM에 비해 높게 분포하였다. 유역이 일치하는 영역에 대한 표고와 경사의 상관계수는 각각 0.997, 0.942로 나타나 분석결과를 종합할 때 두 자료의 공간적인 특성이 상당히 유사함을 알 수 있다.
- 29%의 상대오차를 나타내어 큰 차이를 보이지 않았다. 전체 적으로 SRTM DEM을 적용한 첨두유출량과 유출용적의 모의 결과가 TOPO DEM에 비해 약간의 큰 값을 나타내었는데, 두 DEM으로부터 흐름방향이나 유역 및 하천의 정의가 유사하다면 이와 같은 결과에 가장 큰 영향을 미친것은 셀의 경사로 생각된다. 셀의 경사에 따라 초과우량의 전달속도가 빨라지게 되고 그만큼 더 큰 유량이 유역출구로 전달될 수 있기 때문이다.
- 추가적으로, 정의된 흐름방향을 비교한 결과에서도 최소 0.13%에서 최대 3.56%의 상대오차를 나타내어 큰 차이가 없음을 확인하였다(표 5). 이와 같이 흐름방향과 유역의 추출결과가 유사한 것은 DEM전처리에 동일한 격자하천망을 적용하였기 때문인 것으로 판단된다.
- TOPO DEM도 유사한 결과를 나타내었으며, 정의된 유역셀의 개수가 단지 3개더 많은 것으로 나타났다. 평균표고와 평균경사의 상대오차는 각각 1.00%와 0.55%로 나타났으며 SRTM DEM이 TOPO DEM에 비해 평균표고가 6.15m 높고 수문학적경사의 평균이 0.09% 낮은 것으로 분석되었다. 두 DEM으로부터 생성한 유역셀을 중첩한 결과 26,463셀(99.
후속연구
- 연구결과를 통해 충주댐유역을 대상으로 분포형 강우-유출모형을 모의하는 경우 다운로드 후 간단한 좌표변환과정으로 지형자료를 구축할 수 있는 SRTM DEM이 충분히 적용가능 함을 파악할 수 있었다. 본 연구에서는 500m 공간해상도를 대상으로 분석하였으나 추후에는 90m, 250m의 DEM에 대해서도 적용성을 검토하는 연구가 이루어져야 할 것으로 생각되며, 이와 같은 연구에서도 적용성이 있는 것으로 판단된다면 저해상도 DEM을 사용하는 모델링에서 SRTM DEM의 활용도가 증가할 것으로 기대된다.
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