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문제 정의
- 본 논문에서 다루고 있는 새만금 해양환경 자료는 자료의 생산방법에 따라 크게 관측자료와 예측자료로 분류할 수 있으며, 이에 따라 자료형식이 상이하므로 이를 기준으로 관측항목들을 분류하여 설명하고자 한다. 표 1은 해양자료 분류기준 (Bremen et al.
제안 방법
- 방조제 건설에 따른 해양환경을 모니터링하기 위해 그림 2(a)와 같이 물리/해수유동, 수질 변화를 살펴보기 위하여 방조제 내외측 및 주변 지역을 대표할 있는 관측정점을 설정하였고, 2(b)와 같이 고정관측소 두 곳과 세 개의 관측부이를 설치하고, 파랑 및 해류 관측 장비를 계류하여 연속모니터링 하였다.
- 10여 년간의 새만금 해양환경 조사연구를 통해 수집되고 실시간으로 관측, 예측되고 있는 이종의 방대한 자료에 대한 정보서비스를 위하여 웹기반 정보시스템을 구축하였다. 특히 해양환경자료의 특성상 위 · 경도 및 수심이라는 위치정보를 기본적으로 포함하고 있으면서 시 · 공간상에 다차원 다변수의 형태로 분포하고 있어, 이의 효과적인 처리 및 과학적 표출과 분석을 위해 ESRI사의 ArcGIS 함수 라이브러리를 웹 프로그래밍과 연동하여 자료를 지오프로세싱하였다.
- 그림 4는 예측된 조류 및 조위자료 저장을 위한 데이터베이스 데이블 속성 및 관계를 보여주고 있다. 72시간 모델 격자 포인트가 고정적 위치의 공간데이터로 분포이므로, netCDF 파일을 변환한 데이터는 predict_TS 테이블에 시간대별로 저장하여, 포인트 공간 데이터와 Predict_TS 테이블 조인하여 72시간 예보용 데이터 테이블 생성, 산술연산을 통해 각 예측항목 값을 계산한다. 이들 각 예측항목을 지도와 함께 표출하기 위해서 크리깅 보간법 (Kriging Interpolation)을 사용하고 셀 크기를 서비스 해상도에 맞게 최적화하여 공간상 컬러맵을 생성하고 이를 서비스 하게 된다.
- 방조제 건설에 따른 부유/저서 생태계 모니터링 및 장기 변화 분석을 위해 새만금 외해역 갯벌 퇴적환경 및 유기물 조사, 고군산군도 주변 갯벌 및 대항갯벌의 대형저서동물 군집조사, 새만금 내 · 외측 조하대 대형저서동물 군집조사, 4호 방조제 하부 암반 서식지 자원 생물조사, 플랑크톤 생체량 및 군집조사 등이 이루어 졌다. 개발에 따른 지형/지질변화 및 외해역 해저환경 이용을 위하여 고군산군도 내측, 1, 2호 방조제 내외측, 변산 해빈의 해저지형 및 퇴적물 특성조사도 병행되었다.
- 대용량 다차원 다변수 시·공간상 분포속성을 갖는 해양환경정보를 효과적으로 서비스할 수 있는 Web-GIS 기반 정보시스템을 개발하였다. 관측 및 예측 등 다양한 방법으로 연속적으로 끊임없이 생산되는 자료를 수집, 처리, 저장, 데이터베이스구축하고, 이 모든 일련의 과정을 자동화하며, 자료의 과학적 가시화 및 공간분석 기능을 제공함으로써 사용자들이 보다 쉽고 빠르게 정보를 이해하고 원하는 정보를 취사선택하여 추출할 수 있는 기능을 구현하였다. 또한 맵 상에 보이는 정보가 단순 이미지가 아닌 데이터셋이 표출됨으로써 보여지는 모든 자료에 대한 시·공간상 임의의 지점에 대한 데이터 검증 (값 및 속성 조회) 가능하다.
- 각 데이터의 위치정보값인 x, y 좌표값 (위 · 경도)을 이용하여 2차원의 포인트 데이터를 생성하고, x, y 좌표세트를 이용하여 라인 데이터를 생성한다. 관측 포인트 데이터를 내삽 (interpolation)하고, 그 결과를 폴리곤으로 변환하되 내삽 과정 중 관심영역 이외의 데이터는 클리핑하여 불필요한 정보를 제거 후 지도 상에 표출할 폴리곤을 생성한다. 또한 포인트 데이터를 이용하여 내삽된 래스터 데이터를 폴리곤 데이터로 변환할 수 도 있으며, 폴리곤 데이터의 단순화를 위해 내삽을 통해 생성된 래스터 데이터를 일차변환하여 생성된 다수의 폴리곤으로 표현하고자 하는 급간으로 재분류할 수 있다.
- 그림 11은 구축된 새만금 해양환경정보시스템의 메인화면으로 지도의 공통기능인 인덱스맵, TOC, 레이어 ON/OFF , 지도제어 (확대/ 축소/이동), 데이터 조회 (검증) 기능이 있으며, 측정지점 및 예측영역과 관심항목 시공간 조회, 분포도 확인, 정보조회 및 확인, 분석 기능을 제공한다. 기본맵으로는 openstreet 맵과 새만금 지역 고해상도 위성영상을 매쉬업하였다.
- 대용량 다차원 다변수 시·공간상 분포속성을 갖는 해양환경정보를 효과적으로 서비스할 수 있는 Web-GIS 기반 정보시스템을 개발하였다.
- 방조제 내 · 외측 수질변화, 조석에 따른 수질환경 변화 등을 분석하기 위하여 하계 성층에 따른 수질조사, 조하대 퇴적물 및 기회 생물종 조사, 새만금호의 일반수질, 영양염, 물질 수지 등을 조사하고 산정하였다.
- 수질 정기조사는 방조제 외측해역 10정점, 내측해역 2정점의 월별 수질 조사, 배수갑문 유출수 조사 주 2회, 봄 · 여름철 빈산소층 조사, 해저퇴적물 유기오염상태조사 등을 통해 표층 및 저층의의 COD, TP, TN, SS, POC, DOC, Chl-a, NH4, NO2, PO4, Salinity, 중금속 등의 관측항목을 조사하였다.
- 수집된 원시자료는 관측항목 기록규칙에 따라 위·경도, 수심의 위치정보와 관측값으로 파싱되어 오라클 데이터베이스에 저장되고, 실시간 관측자료 제공을 위한 웹 UI를 통해 서비스되며 매 10분마다 갱신된다.
- 예로 COD, TP, TN, DO, Chl-a 등의 수질 관측값을 이용한 수질 분포도 및 수질등급의 공간표출을 위해 그림 6과 같은 지오프로 세싱 절차를 통해 그림 7과 같은 수질분포도 dasymetric map을 작성하였다.
- , Salinity, 중금속 등의 관측항목을 조사하였다. 외해역 유용 저서생물 자원현황 조사 및 변화분석을 위해고군산군도 일대와 방조제 주변 해역의 조간대 및 조하대의 계절별 패류 자원량 조사를 통해 규조류, 편모류, 녹조류 등의 식물플랑크톤과 copepod, cladocera, benthos larvae 등의 후생동물플랑크톤 등의 출현종과 개체수를 파악하였다. 정기조사를 통한 관측자료는 후처리 및 시료분석 등을 통하여 월별 아스키 형식의 엑셀파일 포맷으로 전송받았다.
- 72시간 모델 격자 포인트가 고정적 위치의 공간데이터로 분포이므로, netCDF 파일을 변환한 데이터는 predict_TS 테이블에 시간대별로 저장하여, 포인트 공간 데이터와 Predict_TS 테이블 조인하여 72시간 예보용 데이터 테이블 생성, 산술연산을 통해 각 예측항목 값을 계산한다. 이들 각 예측항목을 지도와 함께 표출하기 위해서 크리깅 보간법 (Kriging Interpolation)을 사용하고 셀 크기를 서비스 해상도에 맞게 최적화하여 공간상 컬러맵을 생성하고 이를 서비스 하게 된다.
- Ftp, 이메일, 수동기록 등을 통해 수집되는 원시자료는 파일형식과 데이터 작성규칙에 맞게 파싱되어 데이터베이스에 저장된다. 이때 수치모델을 통한 예측자료의 경우 3차원 공간과 시간의 분포를 갖는 다변수 특성을 갖게되고, 특히 시공간 해상도에 따라 자료의 양이 급격하게 증가하므로, 이를 효율적으로 관리할 수 있는 공간 데이터베이스를 구축하였다.
- 이를 위해 여러 분야의 분산된 자료를 통합관리하고, 과학적 가시화를 통해 표출하며, 시 · 공간 분석이 가능한 새만금 해양환경정보시스템을 구축하였다.
- 공간데이터의 편집 및 검색과 조회, 지오데이터베이스의 관리를 위해 GIS 편집 도구인 ArcGIS Editor를 사용하였고, TIN 분석, DEM 생성 및 3차원 공간분석을 위해 ArcGIS 3D Analyst와 Spatial Analyst를 이용하였다. 인터넷 상에서 지도서비스를 구현하기 위하여 인터넷 맵서버로 ArcGIS Server와 Felx API를 이용하여 개발하였다. 그 외에 자료 수집, 처리, 데이터베이스 저장, 무결성 검사, 자동화 들을 위해 MS Visual Studio 2008 환경에서 C#언어를 사용하였으며, 데이터베이스MS는 오라클 10g 및 ArcGIS Server의 GIS 공간 데이터 베이스 관리 도구를 사용화였다.
- 외해역 유용 저서생물 자원현황 조사 및 변화분석을 위해고군산군도 일대와 방조제 주변 해역의 조간대 및 조하대의 계절별 패류 자원량 조사를 통해 규조류, 편모류, 녹조류 등의 식물플랑크톤과 copepod, cladocera, benthos larvae 등의 후생동물플랑크톤 등의 출현종과 개체수를 파악하였다. 정기조사를 통한 관측자료는 후처리 및 시료분석 등을 통하여 월별 아스키 형식의 엑셀파일 포맷으로 전송받았다.
- 특히 사용자 중심의 쉽고 효과적인 웹 UI(User Interface) 개발을 위하여 RIA 기반의 Adobe Flex로 UX 구축하였다. 기존에 많이 사용하던 WebADF 방식에서 Flex API방식으로 변경함으로써 풍부한 UI 기능 개발뿐 아니라 고주파레이더 관측을 통한 매시간 표층 해류의 시간흐름에 따른 해류변화 및 72시간 예측결과에 대한 환경변화를 시간에 따른 동영상 형태로 동적 분석이 가능하였다.
- 특히 해양환경자료의 특성상 위 · 경도 및 수심이라는 위치정보를 기본적으로 포함하고 있으면서 시 · 공간상에 다차원 다변수의 형태로 분포하고 있어, 이의 효과적인 처리 및 과학적 표출과 분석을 위해 ESRI사의 ArcGIS 함수 라이브러리를 웹 프로그래밍과 연동하여 자료를 지오프로세싱하였다.
- 해수유동 및 해양물리 관측을 위해 방조제 내 · 외측에 설치된 고정점 관측소 두 곳과 여러 대의 관측부이 운영을 통해 끝막이 전후해류변화 및 고군산군도 유동조사, 새만금 호 내측 이화학적 수질 모니터링, 고주파레이더에 의한 표층류 모니터링 등을 실시하였다.
대상 데이터
- 수질모델은 curvilinear 형태의 가변격자 시스템을 사용함으로써 연안 근처에서는 50m 이하의 조밀한 셀로 구성되어있고 외해로 갈수록 셀의 크기가 커져서 최대 500m 정도의 공간 수평해상도를 갖고, 수직으로는 20개 층을 갖는 220×220×20의 격자시스템을 갖는다.
데이터처리
- 공간데이터의 편집 및 검색과 조회, 지오데이터베이스의 관리를 위해 GIS 편집 도구인 ArcGIS Editor를 사용하였고, TIN 분석, DEM 생성 및 3차원 공간분석을 위해 ArcGIS 3D Analyst와 Spatial Analyst를 이용하였다. 인터넷 상에서 지도서비스를 구현하기 위하여 인터넷 맵서버로 ArcGIS Server와 Felx API를 이용하여 개발하였다.
성능/효과
- 운용해양모델 ROMS (Regional Ocean Modeling System)를 이용하여 72시간 새만금 해역의 조류, 조위, 파랑, 수온, 염분, 부유사 이동 등의 자료를 생산하고 있다. 72시간 기상자료를 모델외력으로 사용하여 12시간 이전의 예측모델 결과로부터 현재시간의 자료를 초기자료로 변환된 기상외력과 함께 예측모델을 실행하여 하루 두 번 72시간 새만금 해양환경정보를 생산하게 되며, 계산된 결과는 NetCDF 형식으로 연산서버에 저장된다.
- 특히 사용자 중심의 쉽고 효과적인 웹 UI(User Interface) 개발을 위하여 RIA 기반의 Adobe Flex로 UX 구축하였다. 기존에 많이 사용하던 WebADF 방식에서 Flex API방식으로 변경함으로써 풍부한 UI 기능 개발뿐 아니라 고주파레이더 관측을 통한 매시간 표층 해류의 시간흐름에 따른 해류변화 및 72시간 예측결과에 대한 환경변화를 시간에 따른 동영상 형태로 동적 분석이 가능하였다.
후속연구
- 이는 새만금 지역의 과거, 현재 , 미래의 해양환경정보를 통합적으로 제공함으로써 사용자들에게 손쉽게 정보를 전달하고, 나아가 새만금의 친환경 개발 및 재해예방 등 실질적인 문제해결을 위해 이용되는 등 효과적인 정보서비스 제공 및 공간/통계 분석 을 통한 의사 결정 또는 정책결정에 효과적으로 활용될 것을 기대한다.
- 추후 고급 통계분석 및 다변수 관계분석, 자동 패턴 추출, 데이터 마이닝 기법등의 적용을 통해 인위적인 개발에 따라 자연적인 해양환경의 변화상에 대하 복합적인 변동추이및 추적이 가능한 고급 분석기능을 구현할 예정이며, 이는 개발에 환경보존을 위한 의사결정 및 정책결정 도구로써도 활용 가능할 것이라 기대한다.
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