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문제 정의
- 본 연구의 목적은 앞에 기술된 바와 같이 Model Builder를 이용하여 토양유실량을 공간적으로 산정하고 소유역별로 토양 유실량/유사량을 평가하여 토양유실 우선관리 유역을 선정하는 모형을 개발하는 것이다. 따라서 이렇게 개발된 모형의 적용을 위해서 환경부에서 토양유실 우선관리 유역으로 지정하여 관리하고 있는 강원도 양구군 해안면을 연구 유역으로 선정하였다(Fig.
가설 설정
- P factor은 Park (1999) (Table 3)이 한 등고선 경작방식을 택한다는 가정 하의, 경사도에 따른 P factor를 이용하였다 (Fig. 6).
제안 방법
- 유역에서 토양유실 우선관리 유역을 선정하기 위해서는 유역 출구로 유출되는 유사량을 산정하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 앞서 기술된 USLE 모형을 이용하여 토양유실량을 산정하고, 이를 소유역별 유달률을 고려하여 유출되는 유사량을 평가하였다. 총 토양유실에 대한 유사량의 비를 유달률 (Sediment delivery ratio , SDR)이라고 한다.
- 본 연구에서 ArcGIS Model Builder를 이용하여 총 26단계의 Process를 통해 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형을 개발하였다. 개발 된 모형의 전체 모델은 Fig.
- 본 연구에서 사용된 Model Builder를 이용하면 다양한 연산을 유기적으로 연계하여 사용자가 원하는 분석을 자동으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 각 프로세서를 사용자가 손쉽게 별도의 프로그래밍 없이 변경/적용할 수 있다. 본 연구에서 개발된 모형은 크게 토양유실량 산정과 유달률 산정, 그리고 이를 통한 소유역별 유사량 평가로 나눌 수 있다. Wischmeier & Smith (1965), Moore & Burch (1986a, 1986b), McCool et al.
- 본 연구에서는 ArcGIS Model Builder를 이용하여 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형을 개발하여 양구군 해안면에 적용하였고, 26단계의 Process 절차를 걸쳐 소유역별 유사량이 산정되었다. 토양유실 우선관리 지역으로 선정된 5번 소유역은 단위면적당 13.
- ArcGIS Geoprocessing은 Process를 통해 나온 결과를 다른 Process의 입력 자료로 자동 부여하고, Process를 차례로 엮어 작업을 자동화 할 수 있게 한다. 본 연구에서는 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형 개발을 위해 Fig. 8처럼 ArcGIS Model Builder를 이용하여 연산과정을 자동화하였다.
- 유역의 면적을 추출하기 위해 DEM으로 부터 하천을 형성하고, 형성된 하천을 이용하여 유역을 산정해야한다. 이 과정을 Model Builder의 Geoprocessing이용하여 각 Process를 차례로 연결하여 유달률 산정 작업을 자동화하였다. 자동화된 산정방법은 Fig.
- 컴퓨터 프로그래밍 언어를 이용하지 않고 ArcGIS의 Model Builder 만을 이용하여 모형이 구축·개발되었다.
대상 데이터
- 본 연구의 목적은 앞에 기술된 바와 같이 Model Builder를 이용하여 토양유실량을 공간적으로 산정하고 소유역별로 토양 유실량/유사량을 평가하여 토양유실 우선관리 유역을 선정하는 모형을 개발하는 것이다. 따라서 이렇게 개발된 모형의 적용을 위해서 환경부에서 토양유실 우선관리 유역으로 지정하여 관리하고 있는 강원도 양구군 해안면을 연구 유역으로 선정하였다(Fig. 2). 이 양구 해안면 유역에서는 임의개간을 통해 고랭지 작물 재배면적이 지속적으로 확장되고 있으며, 강우가 여름철에 집중되어 집중강우로 인한 토양유실이 심각해 소양댐 유역으로 상당량의 탁수가 매년 유입되고 있다 (Han River Basin Commission, 2008).
- 본 연구를 통해 개발된 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형 모형을 연구대상 유역인 강원도 양구군 해안면에 적용하여 보았다. 적용 결과 양구군 해안면은 Fig.
이론/모형
- C factor은 환경부에서 배포하는 1:25,000의 대분류 토지피복도를 이용하여, Jung et al. (1985) (Table 2)이 제시한 C factor를 이용하였다 (Fig. 5).
- DEM을 이용하여 유역의 면적을 추출하고, Map Algebra Tool에 Vanoni (1975)공식을 적용하여 유달률 맵을 산정하였다. 유역의 면적을 추출하기 위해 DEM으로 부터 하천을 형성하고, 형성된 하천을 이용하여 유역을 산정해야한다.
- K factor는 토양 고유의 침식성을 정량적으로 표시한 것으로 Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE) (Williams, 1975)을 이용하여 Kang et al. (2010)이 제시한 양구 해안면 K factor를 이용하였다 (Fig. 4).
- 하지만 Raster Data의 Field값을 이용하여 수학적 연산을 하는 Raster Calculator는 Process를 통해 나온 결과를 그 다음의 Process로 엮어 작업할 수 있게 하는 Geoprocessing을 지원하지 않아 Model Builder에서는 모든 수학적 연산은 Map Algebra Tool을 이용하였다. LS factor산정에 DEM으로 부터 추출된 유역의 경사도와 유역의 면적을 Map Algebra Tool을 이용하여 Moore and Burch (1986a, 1986b)의 LS산정공식에 적용하며, 산정된 LS와 토양유실량 산정에 필요한 Input Data는 Times Tool을 통해 결합되어, 새로운 자동화 Process를 형성하였다 (Fig. 9).
- R factor는 해당 지역의 장기강우량 자료를 이용하여 계산되어지며, 본 연구에서는 Jung et al. (1999)에 의해 계산된 R factor를 이용하였다 (Fig. 3). Table 1은 강원도 지역의 행정구역별 R factor를 나타낸다.
- 본 연구에서는 각 소유역별 토양유실량 산정을 위해서 USLE 모형 (Wischmeir and Smith, 1978)을 이용하였다. USLE모형은 농업지역의 토양손실량을 산정하기 위해 장기적인 연구 결과를 토대로 Wischmeir and Smith (1978)에 의해 제안되었고, 주로 비점오염원관리를 위한 토양유실량 추정에 사용되어지고 있다.
- 경사장과 경사도의 토양유실에 미치는 영향 인자를 흔히 LS factor로 나타낸다. 본 연구에서는 수치표고모형 (Digital Elevation Model, DEM)을 이용하여 Moore and Burch (1986a, 1986b)이 제안한 식 (2)을 이용하였다 (Fig. 7).
- 본 연구에서는 식 (1) 범용토양손실공식 (USLE)을 이용하여 토양유실량을 산정한다.
- 총 토양유실에 대한 유사량의 비를 유달률 (Sediment delivery ratio , SDR)이라고 한다. 이번 연구에서는 유달률 산정 공식 중 가장 널리 사용되어지고 있는 Vanoni (1975)제안한 식 (3)을 이용하였다.
- Model Builder는 기본적으로 ArcToolBox의 기능을 이용하여 Process를 형성하게 된다. 하지만 Raster Data의 Field값을 이용하여 수학적 연산을 하는 Raster Calculator는 Process를 통해 나온 결과를 그 다음의 Process로 엮어 작업할 수 있게 하는 Geoprocessing을 지원하지 않아 Model Builder에서는 모든 수학적 연산은 Map Algebra Tool을 이용하였다. LS factor산정에 DEM으로 부터 추출된 유역의 경사도와 유역의 면적을 Map Algebra Tool을 이용하여 Moore and Burch (1986a, 1986b)의 LS산정공식에 적용하며, 산정된 LS와 토양유실량 산정에 필요한 Input Data는 Times Tool을 통해 결합되어, 새로운 자동화 Process를 형성하였다 (Fig.
성능/효과
- 5번 소유역을 토양유실에 따른 유사 발생 상위 3곳과 지형적 특성을 비교/분석해 보면, 5번 소유역은 단위면적당 숲의 비율이 높았으나, 토양이 지표에 그대로 노출되어 토양유실이 쉽게 일어나는 감자 밭의 단위 면적당 비율이 높은 것으로 나타났다 (Table 4).
- 본 연구에서 사용된 Model Builder를 이용하면 다양한 연산을 유기적으로 연계하여 사용자가 원하는 분석을 자동으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 각 프로세서를 사용자가 손쉽게 별도의 프로그래밍 없이 변경/적용할 수 있다. 본 연구에서 개발된 모형은 크게 토양유실량 산정과 유달률 산정, 그리고 이를 통한 소유역별 유사량 평가로 나눌 수 있다.
- (2005) 등의 유달률 산정기법 등이 활용될 수 있는데, 기존의 토양유실 및 유사량 평가 모형들은 모형 개발자들이 적용한 산정 기법외의 다른 산정기법을 적용하기에는 모형의 소스 코드 비공개로 인해 수정/적용의 어려움이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 이번 연구를 통해 개발된 모형은 Fig. 16처럼 Map Algebra Tool을 이용하여 모형에 적용되어 있던 기법을 사용자가 이용 목적에 맞는 산정기법들을 모형에 쉽게 적용하고 이용 할 수 있다. 그 외에도 사용자들은 각 Process 별로 목적에 맞게 모형을 간단히 수정하거나 개선하여 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 개발된 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형 모형을 연구대상 유역인 강원도 양구군 해안면에 적용하여 보았다. 적용 결과 양구군 해안면은 Fig. 14와 같이 최대 2409.94 ton/ha/year의 토양유실이 발생하고, 소유역 중에서 5번 소유역이 단위면적당 토양유실에 따른 유사량이 가장 큰 것으로 나타나 우선관리 지역으로 선정되었다 (Fig. 15).
- 본 연구에서는 ArcGIS Model Builder를 이용하여 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형을 개발하여 양구군 해안면에 적용하였고, 26단계의 Process 절차를 걸쳐 소유역별 유사량이 산정되었다. 토양유실 우선관리 지역으로 선정된 5번 소유역은 단위면적당 13.7 ton/ha/year의 유사가 발생하는 것으로 산정되었다. 이처럼 ArcGIS Model Builder는 컴퓨터 프로그래밍 언어에 대한 전문적인 지식이 없는 사용자도 원하는 모형을 쉽게 구축할 수 있어, 모형을 개발하는데 들어가는 개발비용을 줄이는데 큰 도움이 될 것이고, 각 Process의 처리작업이 연속적으로 조합되어 하나의 모형이 완성되는 것을 시각화하여 보여주기 때문에 모형을 이용하는 이용자들에게 보다 쉽게 모형을 이해, 사용하고, 모형을 사용 목적에 맞게 개선시키는데 큰 도움을 줄 것이라 판단된다.
후속연구
- 따라서 본 연구의 목적은 1) ArcGIS Model Builder를 이용하여 토양유실 우선관리 지역 선정 자동화 모형을 개발하고, 2) 연구 대상 유역에 적용하여 개발된 모형의 적용성을 평가하는데 있다. 개발된 모형은 툴박스 형태로 인터넷을 통해 공개함으로써, 관련 분야 연구자 및 실무자들이 직접 활용/수정할 수 있게 할 것이며, 이를 통해 다양한 연구 및 실무 분야에 확장/개발될 수 있으리라 판단된다.
- 16처럼 Map Algebra Tool을 이용하여 모형에 적용되어 있던 기법을 사용자가 이용 목적에 맞는 산정기법들을 모형에 쉽게 적용하고 이용 할 수 있다. 그 외에도 사용자들은 각 Process 별로 목적에 맞게 모형을 간단히 수정하거나 개선하여 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
- kr/~sateec/toolbox를 통하여 무료로 다운로드 받을 수 있기 때문에 모형의 이용을 원하는 사람은 누구나 사용할 수 있다. 더 나아가서는 개발된 모형이 사용자들간에 개선과 공유가 이루어져 토양유실분야의 연구 활성화를 기대한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.