[논문]GIS 정보를 이용한 풍속지형계수 산정

성민호; 최세휴

초록
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최근 국지적 강풍 및 태풍에 의한 피해규모가 증가하고 있다. 국토의 70%이상이 산악지형인 우리나라에서는 산악지형의 특성에 따른 풍속의 변화를 적절하게 반영한 풍하중 산정이 필요하며 건축구조기준(2009)에서도 이를 명시하여 설계과정에 반영하도록 하고 있다. 그러나 실제 구조물 설계 시 지형적 특성을 고려한 풍속지형계수를 산정하기 위해서는 현지 지형측량 등 여러 가지 어려운 점을 가지고 있다. 본 논문에서는 수치지형도에서 TIN보간법을 이용한 수치표고모델(DEM)을 제작하고, ESRI(R)ArcObjectTM와 프로그래밍 언어인 비주얼 베이직(Visual Basic)을 사용하여 풍속지형계수를 자동적으로 산정할 수 있는 인터페이스를 설계 구현하였다. 이를 도심지에 위치한 산악지형에 적용함으로써 풍속지형계수 산정 인터페이스의 실용성을 점검하였다.

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Recently damage scale by local winds and typhoon has dramatically increased. Korea has the terrain over 70% of the land and the planning of the wind load is necessary to estimate reflecting appropriately the change of the wind-speed according to the characteristic of the terrain and in the Korean Bu...

Recently damage scale by local winds and typhoon has dramatically increased. Korea has the terrain over 70% of the land and the planning of the wind load is necessary to estimate reflecting appropriately the change of the wind-speed according to the characteristic of the terrain and in the Korean Building Code(2009), this is stated and it reflects to the design process. However, in order to estimate the topographic factor of the wind speed considering the topographic characteristics in the structure design actually, it has many difficult points including the local topographic survey, etc. In this paper, the Digital Elevation Model(DEM) is created using TIN interpolation method in the form of the digital map and then the interface was designed and implemented which can automatically estimate the topographic factor of wind speed by using ESRI(R)ArcObjectTM and the Visual Basic programing language. By applying it to the terrain which positioned in the downtown area, the practicality of the topographic factor of wind speed estimation interface was checked.

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문제 정의

본 논문에서는 수치지형도를 이용한 수치표고모델을 제작하고 GIS 정보를 이용한 산악지형에서의 풍속지형계수를 산정할 수 있는 인터페이스를 설계 구현함으로써 지형의 특성에 따른 풍속의 변화를 구조설계에 반영하고자 한다.

제안 방법

풍속에 영향을 미치는 지형계수에 대한 연구로는 Miller와 Davenport[1]가 산등성이나 급경사지에서의 풍속할증 비율을 주요 하중기준들이 제시하는 비율과 비교하였으며, Ishihara와 Hibi[2]가 3차원 급경사 지형에서 난류의 특성에 대한 연구를 수행하였다. 조강표 등[7]은 독립된 3차원 산악지형에 의한 풍속할증효과를 풍동실험을 통해 조사하여 주요 풍하중 기준과 비교하고 분석하였다.
본 연구에서는 1:5,000 축척의 수치지형도에서 등고선과 표고점 등 높이데이터를 추출하여 TIN 보간 법으로 3차원 지표면을 생성하고, 1m × 1m 격자간격의 수치표고모델을 생성하였다.
풍속지형계수 산정에 필요한 지리정보( H, L_u, 5H까지의 수평거리)를 수치표고모델에서 측정하기 위하여 ESRI^ⓇArcObject^TM와 프로그래밍 언어인 비주얼 베이직(Visual Basic)을 이용하여 직접 구현하였다. 또한, 풍속지형계수 산정절차에 나타나는 변수 들을 포함하는 인터페이스를 설계하고, 각 연산과정을 구현하였다.
와 프로그래밍 언어인 비주얼 베이직(Visual Basic)을 이용하여 직접 구현하였다. 또한, 풍속지형계수 산정절차에 나타나는 변수 들을 포함하는 인터페이스를 설계하고, 각 연산과정을 구현하였다.
인구의 도시집중화가 진행됨에 따라 도심지에 위치한 산악지형에 건설되는 시설물이 점차 증가하고 있다. 대구광역시 종합유통단지에 위치한 독립된 산악지형에 구현된 풍속지형계수 산정 인터페이스를 적용해 보았다.
그림 4(a)와 같이 등고선과 표고점의 높이 값을 기반으로 TIN(Triangulated Irregular Networks) 보간법으로 3차원 지표면을 생성한 후 격자간격 1m ×1m의 수치표고모델로 변환하였다.
본 논문에서는 GIS 정보를 이용한 풍속지형계수 산정 인터페이스를 설계ㆍ구현하였고, 이를 이용하여 산악지형에서의 지형적 특성에 따른 풍속의 변화를 반영하는 풍속지형계수를 산정하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

성능/효과

따라서, 적용 대상지인 대구광역시 종합유통단지에 위치한 산악지형에 앞에서 가정한 풍향(서풍) 및 건물의 위치(풍하측), 지표면조도( B)를 적용하여 60 m의 건축물을 설계한다면 풍속지형계수가 1.0659임을 알 수 있었다. 설계풍속은 풍속지형계수에 비례하고, 풍하중은 설계풍속의 제곱에 비례하기 때문에 건축물 설계 시 기본 풍속에 의한 풍하중보다 약 13.
0659임을 알 수 있었다. 설계풍속은 풍속지형계수에 비례하고, 풍하중은 설계풍속의 제곱에 비례하기 때문에 건축물 설계 시 기본 풍속에 의한 풍하중보다 약 13.61% 증가된 풍하중을 건축물의 내풍설계시 고려해야함을 알 수 있었다.
첫째, 기존의 모형제작 및 풍동실험, 현지측량 등의 실험적 모델에서 벗어나 GIS 프로그래밍을 통한 풍속지형계수 산정 방법을 개발함으로써 보다 실용적으로 풍속지형계수 산정이 가능하게 되었다.
둘째, 풍하중 산정 시 산악지형에 건설되는 건축물의 위치와 높이, 지역의 풍향을 고려한 풍속지형 계수를 반영할 수 있게 함으로써 건축물의 안전성과 설계의 합리성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

셋째, 본 연구에서는 대상범위내 수치표고모델의 최저높이를 지표면의 높이로 가정하였으나 보다 정확한 지표면 높이를 산정하기 위하여 추가적인 연구가 필요함을 알 수 있었다.
넷째, 향후 풍소고도분포계수와 풍속지형계수를 GIS상에서 통합하여 보다 정량적이고 효율적인 풍속 계수 산정시스템 개발이 필요함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TIN(Triangulated Irregular Networks) 보간법은?	TIN(Triangulated Irregular Networks) 보간법은 불규칙하게 분포된 위치에서 높이데이터를 추출하여 이들 위치를 삼각형의 형태로 연결하여 전체 지형을 불규칙한 삼각형의 망으로 표현하는 방식이다. 이러한 TIN 방식은 세 지점의 위치를 가지고 하나의 삼각형을 이루며, 각각의 삼각형 내에서 경사의 크기 및 방향 등이 결정되어 지형의 3차원적인 표현을 가능하게 한다.
	TIN 방식의 장점은?	이러한 TIN 방식은 세 지점의 위치를 가지고 하나의 삼각형을 이루며, 각각의 삼각형 내에서 경사의 크기 및 방향 등이 결정되어 지형의 3차원적인 표현을 가능하게 한다. TIN 방식은 위상구조를 가지는 벡터형식이며, 래스터방식에 비해 비교적 적은 지점에서 추출된 높이 데이터를 사용하여 전반적인 지형의 형태를 나타낼 수 있으며, 계곡이나 골짜기 등, 지형의 변화가 심한 지역에서는 자료의 밀도를 높임으로써 지표면의 형태를 정확하게 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 반면, TIN 보간법의 단점은 자료 파일을 생성하기 위해서 훨씬 많은 처리를 요하며 TIN 을 생성하는 알고리즘에 따라 부수적으로 발생되는 오차에 차이가 나고, 생성된 삼각형의 경계부근에서 생성되는 불필요한 객체를 제거하기 위한 수작업이 필요하다는 점이다.
	TIN 방식의 단점은?	TIN 방식은 위상구조를 가지는 벡터형식이며, 래스터방식에 비해 비교적 적은 지점에서 추출된 높이 데이터를 사용하여 전반적인 지형의 형태를 나타낼 수 있으며, 계곡이나 골짜기 등, 지형의 변화가 심한 지역에서는 자료의 밀도를 높임으로써 지표면의 형태를 정확하게 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 반면, TIN 보간법의 단점은 자료 파일을 생성하기 위해서 훨씬 많은 처리를 요하며 TIN 을 생성하는 알고리즘에 따라 부수적으로 발생되는 오차에 차이가 나고, 생성된 삼각형의 경계부근에서 생성되는 불필요한 객체를 제거하기 위한 수작업이 필요하다는 점이다.

참고문헌 (8)

C. A. Miller, A. G. Davenport, 1998, "Guidelines for the calculation of wind speed-ups in complex terrain", J. Wind Eng. & Indust. Aerodyn., vol. 74-76, pp. 189-197.

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T. Ishihara, K. Hibi, 1999, "A Wind Tunnel study of Turbulent Flow over a Three-dimensional Steep Hill", Journal of Wind Engineering, vol. 83, pp. 95-107.
성민호, 박경식, 최세휴, 2010, "지리정보를 이용한 풍속지형계수 산정", 한국공간정보학회지, 제18권 제3호, pp.13-22.

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우제윤, 구지희, 홍창희, 김태훈, 2001, "수치표고모델(DEM) 구축을 위한 지형별 보간 방법 및 격자크기에 관한 연구", 개방형GIS학회 논문지, 제3권 제2호, pp. 5-19.

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이석배, 이동하, 권재현, 2008, "우리나라 수치표고모델을 이용한 지형효과 산출방식의 비교평가", 한국지형공간정보학회지, 제16권 제1호, pp. 83-93.

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이태윤, 정재훈, 김태정, 2008, "고해상도 위성영상과 기존 수치표고모델을 이용하여 신뢰성이 향상된 수치표고모델의 자동 생성", 한국GIS학회지, 제10권 제2호, pp. 193-206.
조강표, 홍성일, 조기성, 2008, "독립된 3차원 산악지형의 풍속할증에 대한 풍동실험 및 고찰", 대한건축학회논문집-구조계, 제24권 제1호, pp.3-10.

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대한건축학회, 2010, "국토해양부 고시 건축구조기준 및 해설", 기문당.

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