[논문]GIS 기반 CA-Markov 기법을 이용한 토지피복 변화에 따른 미래 유출량 전망 분석

박진혁; 노선희; 이근상

doi:10.11108/kagis.2013.16.3.025

GIS 기반 CA-Markov 기법을 이용한 토지피복 변화에 따른 미래 유출량 전망 분석
Outlook Analysis of Future Discharge According to Land Cover Change Using CA-Markov Technique Based on GIS 원문보기

한국지리정보학회지 = Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, v.16 no.3, 2013년, pp.25 - 39

박진혁 (한국수자원공사 Kwater연구원) , 노선희 (충남대학교 토목공학과) , 이근상 (전주비전대학교 지적부동산과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 금강유역 내 용담댐 및 대청댐을 대상으로 SWAT 모형을 이용하여 미래 유출량 전망에 지배적인 인자로 작용하는 토지피복 변화에 따른 유출량 변화를 분석하였다. Landsat TM 위성영상을 이용하여 과거 1990년 및 1995년 토지피복 자료를 관측 자료로 사용하여 CA-Markov 연쇄기법에 의한 2000년 토지피복도를 모의하여 비교 검증을 한 후 향후 2050년과 2100년의 토지피복변화를 모의하였다. 이를 SWAT모형의 입력 자료로 이용하여 A1B 시나리오하에서 토지피복 변화 전 후의 유출량을 비교 분석 하였다. 금강유역에 대한 토지피복에 대한 경년별 추세 분석결과 산림과 논은 꾸준히 감소하고 주거지, 나지, 초지 등은 증가하는 경향을 나타내었다. 미래 토지피복의 변화를 고려한 유출 변화 분석결과, 토지피복의 변화를 고려한 유출량이 토지피복의 변화를 고려하지 않았을 때보다 전체적으로 1.83~2.87%로 소폭 증가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the change of the discharge according to the land cover change which acts as one of dominant factors for the outlook of future discharge was analyzed using SWAT(Soil and Water Assessment Tool) model for Yongdam and Daecheong Dam Watershed in the Geum River Basin. The land cover maps generated by Landsat TM satellite images in the past 1990 and 1995 were used as observed data to simulate the land cover in 2000 by CA-Markov serial technique and after they were compared and verified, the changes of land cover in 2050 and 2100 in the future were simulated. The discharge before and after the change of land cover by using input data of SWAT model was compared and analyzed under the A1B scenario. As a result of analyzing the trend in the elapses of year on the land cover in the Geum River Basin, the forest and rice paddy class area steadily decreased while the urban, bare ground and grassland classes increased. As a result of analyzing the change of discharge considering the future change of the land cover, it appeared that the discharge considering the change of land cover increases by 1.83~2.87% on the whole compared to the discharge not considering the change of land cover.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

물순환에 영향을 미치는 가장 중요한 두 가지 인자는 기후와 토지이용인데 과거 대부분의 연구들은 기후변화 또는 토지이용 변화에 대한 유출 특성 변화에 대한 분석이 주를 이루고 있지만 본 논문에서는 이를 동시에 고려하고자 하였다. Landsat TM 위성영상을 이용하여 과거 1990년 및 1995년 토지피복 자료를 관측 자료로 사용하여 CA-Markov 연쇄기법에 의한 2000년 토지피복도를 모의하여 비교·검증을 한 후 향후 2050년과 2100년의 토지피복 변화를 모의하였다.
본 연구에서는 금강유역을 대상으로 기후변화가 수자원에 미치는 유출측면에서의 영향을 평가하기 위하여 IPCC에서 제시하고 있는 A1B시나리오 기반의 RCM모의 결과값을 수문 기상자료로 사용하여 SWAT모형에 적용함으로서 기후변화에 따른 장기적인 유출영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 과거 1990년 및 1995년 토지피복 자료를 관측자료로 사용하여 토지이용의 변화된 경향을 공간적으로 반영할 수 있는 Markov Chain 모델과 시간변화를 고려할 수 있는 CA기법을 결합한 CA-Markov 연쇄기법을 통해 2000년 토지피복도를 모의하여 비교·검증 한 후 향후 2050년과 2100년의 토지피복변화를 모의하였다.
본 연구에서는 금강유역전체 및 금강유역 내 용담댐유역 및 대청댐유역에 대하여 5년 단위의 시계열 토지피복도를 작성하여 경년별 추세를 분석하고, 미래 토지피복 변화를 예측하기 위하여 1990년과 1995년 자료를 기본 입력 자료로 선정하여 CA-Markov 연쇄기법을 이용하여 2000년도의 토지피복을 예측하였다. 토지피복 자료는 WAMIS 토지피복 분류 기준에 따라 8분류로 설정하였으며 비교 토지피복도의 이미지 시간주기(5년)와 동일하게 예측하기 위해, 미래 토지피복 변화의 시간주기를 5년으로 지정하였다.

가설 설정

본 연구에서는 기후변화시나리오의 신뢰성을 위하여 국립기상연구소 기후연구팀에서 “기후변화 협약대응 지역기후시나리오 활용기술개발”(2005~2007)의 일환으로 생산한 A1B 시나리오자료를 이용하였다. A1B시나리오는 현재 이산탄소의 배출량이 점차 증가하여 2050년경 정점에 도달한 다음 그 이후 다소 감소하는 시나리오로 대기 중 이산화탄소의 농도는 2100년경 720 ppm까지 도달할 것으로 예상되는 시나리오로써, 화석에너지 및 고효율 에너지원이 균형 있게 사용된다고 가정하며 현실에 가장 잘 부합되는 시나리오이다.

제안 방법

토지피복 자료는 WAMIS 토지피복 분류 기준에 따라 8분류로 설정하였으며 비교 토지피복도의 이미지 시간주기(5년)와 동일하게 예측하기 위해, 미래 토지피복 변화의 시간주기를 5년으로 지정하였다. 1990년과 1995년의 기본 자료로부터 2000년 자료를 추출하고, 이를 실제 분류한 2000년 토지피복도와 비교하여 검증한 뒤다시 1995년 자료와 2000년 자료로부터 2005년의 미래 토지피복 변화 양상을 추출하는 과정을 반복하여 각각 5년 단위(2000, 2005, 2010, 2015... 2090년)의 미래 토지피복도를 예측하였다. 표 2는 용담댐 유역의 토지피복 모의 결과를 나타낸 것으로서, 2000년도를 볼 때 실제 토지피복 현황과 모의한 결과가 90% 이상 유사한 것으로 나타났다.
Landsat TM 위성영상을 이용하여 과거 1990년 및 1995년 토지피복 자료를 관측 자료로 사용하여 CA-Markov 연쇄기법에 의한 2000년 토지피복도를 모의하여 비교·검증을 한 후 향후 2050년과 2100년의 토지피복 변화를 모의하였다.
금강유역 내 대청댐 및 용담댐 유역의 기후변화 영향평가를 위하여 SWAT모형을 이용하여 수문 입력 자료를 구축하였다. SWAT 모형의 장기유출 해석을 위한 기본 GIS 자료는 DEM, 토지이용도 및 토양도자료가 필요하며이 자료들은 WAMIS에서 입수하여 GIS를 이용하여 각종 수문매개변수들을 생성하였다(그림 5).
SWAT 모형을 이용해서 미래 유출량을 전망하기 위해서는 우선 과거 관측값을 이용해서 계산된 유출량과의 비교를 통해 신뢰할 만한 결과를 제시해 주는지에 대한 모형의 적용성 검토가 필요하다. 강우유출해석의 결과로부터 모형의 적합성을 평가하기 위하여 총 유출량 오차 외에 체적오차의 백분율(VER)과 첨두유량 오차의 백분율(QER)을 산정하였다. 각각의 계산식은 다음과 같다.
그리고 이와 같이 모의한 결과를 SWAT 모형의 입력 자료로 활용하여 A1B 기후변화 시나리오하에서 토지 피복 변화 전·후의 유출량을 비교분석 하였다.
본 논문에서는 금강유역 내 용담댐 및 대청댐유역을 대상으로 기존 연구사례에서는 기후변화에 따른 미래유출량을 전망할 때 미래에도 토지피복의 변화가 없다는 비현실적인 가정에서 미래 유출량을 전망한 연구가 대부분인 상황에서 토지피복의 시공간적 변화경향을 반영할 수 있는 Markov Chain 모델과 시간변화를 고려할 수 있는 CA기법을 결합한 CA-Markov 연쇄기법과 SWAT 모형을 이용하여 A1B 기후 변화 시나리오 하에서 토지피복 변화를 고려하기 전·후의 미래 유출량을 비교분석 하였다.
본 연구에서는 기후변화시나리오에서의 일단위 유출모의를 위해 기존 국내외의 연구성과나 유출모형의 인지도, GIS자료의 활용성, 그리고 연구의 적합성 등을 고려하여 준분포형 모형인 최신 버전의 SWAT 모형을 선정하였다. SWAT 모형은 미국 농무성 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS)의 Jeff Arnold 등에 의해 개발된 유역모델이다 (Arnold et al.
, 2007). 본 연구에서는 유출량 분석결과 관측값보다 모의값이 크게 모의되어 유출량을 감소시킬 수 있는 매개변수의 범위에서 지표수 흐름 모의와 관련된 매개변수를 참고로 하여 CN2, ESCO, SOL_AWC를 선택하여 허용범위 내에서 변화시키면서 보정을 수행하는 시행착오법을 사용하였다(표 3). 최적의 보정기간을 설정하기 위해 2004년부터 보정 시작기간으로 3개년간(2004년~2006년)을 설정하여 매개변수를 보정하였다.
이를 위해 과거 1990년 및 1995년 토지피복 자료를 관측자료로 사용하여 토지이용의 변화된 경향을 공간적으로 반영할 수 있는 Markov Chain 모델과 시간변화를 고려할 수 있는 CA기법을 결합한 CA-Markov 연쇄기법을 통해 2000년 토지피복도를 모의하여 비교·검증 한 후 향후 2050년과 2100년의 토지피복변화를 모의하였다.
본 연구에서는 유출량 분석결과 관측값보다 모의값이 크게 모의되어 유출량을 감소시킬 수 있는 매개변수의 범위에서 지표수 흐름 모의와 관련된 매개변수를 참고로 하여 CN2, ESCO, SOL_AWC를 선택하여 허용범위 내에서 변화시키면서 보정을 수행하는 시행착오법을 사용하였다(표 3). 최적의 보정기간을 설정하기 위해 2004년부터 보정 시작기간으로 3개년간(2004년~2006년)을 설정하여 매개변수를 보정하였다.
본 연구에서는 금강유역전체 및 금강유역 내 용담댐유역 및 대청댐유역에 대하여 5년 단위의 시계열 토지피복도를 작성하여 경년별 추세를 분석하고, 미래 토지피복 변화를 예측하기 위하여 1990년과 1995년 자료를 기본 입력 자료로 선정하여 CA-Markov 연쇄기법을 이용하여 2000년도의 토지피복을 예측하였다. 토지피복 자료는 WAMIS 토지피복 분류 기준에 따라 8분류로 설정하였으며 비교 토지피복도의 이미지 시간주기(5년)와 동일하게 예측하기 위해, 미래 토지피복 변화의 시간주기를 5년으로 지정하였다. 1990년과 1995년의 기본 자료로부터 2000년 자료를 추출하고, 이를 실제 분류한 2000년 토지피복도와 비교하여 검증한 뒤다시 1995년 자료와 2000년 자료로부터 2005년의 미래 토지피복 변화 양상을 추출하는 과정을 반복하여 각각 5년 단위(2000, 2005, 2010, 2015.

대상 데이터

과거 토지피복의 변화를 살펴보기 위해 금강유역을 대상으로 1975년부터 2000년까지 5년 단위의 Landsat TM 위성영상을 사용한 토지피복도 자료를 수자원정보종합시스템(WAMIS, Water Management Information System)을 통하여 수집하였다. 표 1의 6개의 항목(수역, 시가화, 산림, 나지 및 습지, 초지, 농지)에 대한 금강유역 토지피복 비율을 살펴보면, 급격한 도시화로 인하여 수역의 비율이 증가하는 반면 산림은 점차 감소하는 경향을 알 수 있다.
또한 기상자료는 유출량 산정에 사용되는 기본적인 데이터로 강우, 최고·최저 기온, 태양 복사량, 상대습도, 풍속 자료를 기상청과 WAMIS 로부터 제공받아 모형의 기상입력 자료로 사용하였다.
본 연구에서는 기후변화시나리오의 신뢰성을 위하여 국립기상연구소 기후연구팀에서 “기후변화 협약대응 지역기후시나리오 활용기술개발”(2005~2007)의 일환으로 생산한 A1B 시나리오자료를 이용하였다.
본 연구의 대상유역인 금강유역은 금강본류 구간에 대청 다목적댐과 용담 다목적댐이 설치되어 홍수조절에 활용되고 있고, 하구에 금강하구둑이 설치되어 운영되고 있다. 금강유역은 북위 35°35´~37°05´, 동경 126°41´~128°25´에 걸쳐 우리나라의 중앙부 서쪽에 위치하고 있고, 유역면적은 9,914.
, 2010). 본 유역은 14개의 중 권역으로 구성되어 있으며, 대권역의 유역둘레는 737.89km이고, 유역 평균폭은 25.52km, 유역평균표고는 EL.85.31m, 유역평균 경사는 16.74%이다. 연평균 기온은 11.

이론/모형

SWAT 모형에서는 지표면 유출을 평가하기 위해 SCS 유출곡선법과 Green & Ampt 침투법의 두 가지 방법을 제공하고 있으며, 본 연구에서는 SCS 유출곡선법을 선택하여 유출모의에 이용하였다.
금강유역 내 대청댐 및 용담댐 유역의 기후변화 영향평가를 위하여 SWAT모형을 이용하여 수문 입력 자료를 구축하였다. SWAT 모형의 장기유출 해석을 위한 기본 GIS 자료는 DEM, 토지이용도 및 토양도자료가 필요하며이 자료들은 WAMIS에서 입수하여 GIS를 이용하여 각종 수문매개변수들을 생성하였다(그림 5).
또한 기상자료는 유출량 산정에 사용되는 기본적인 데이터로 강우, 최고·최저 기온, 태양 복사량, 상대습도, 풍속 자료를 기상청과 WAMIS 로부터 제공받아 모형의 기상입력 자료로 사용하였다. 이 자료들은 토양에 대한 다양한 증발산을 반영하기 위하여 유역을 분할하는 SWAT 모형에서 각 소유역의 입력 자료로 사용된다.

성능/효과

넷째, 미래 토지피복의 변화를 고려한 유출 변화 분석결과, 토지피복의 변화를 고려한 유출량이 토지피복의 변화를 고려하지 않았을 때보다 전체적으로 1.83~2.87%로 소폭 증가하는 것으로 나타났다. 이는 도시화에 따른 시가화 면적이 미래에 증가하고 산림 면적이 감소함에 따라 전체적으로 불투수 면적이 증가하기 때문인 것으로 판단되나, 예상보다 전체적인 유출량 증가가 두드러지지 않은 이유는 원자료로 활용한 1990년과 2000년 사이에 금강 유역이 타 유역에 비해 상대적으로 급격한 토지피복의 변화가 나타나지 않아 과거에 있었던 변화를 토대로 미래에 있을 변화를 연속적으로 예측하는 CA-Markov 기법의 특성이 가지는 한계 때문인 것으로 판단된다.
둘째, 1995년 자료와 2000년 자료로부터 2005년의 미래 토지피복 변화 양상을 추출하는 과정을 반복하여 각각 5년 단위(2000, 2005, 2010, 2015... 2090년)의 미래 토지피복도를 예측하였으며, 실제 2000년의 피복현황과 비교한 결과 90% 이상 유사한 것으로 나타났다. 미래 토지피복 변화를 분석한 결과, 전체적으로 산림과 논은 꾸준히 감소하고 시가화 지역 등은 증가하는 경향을 나타내었다.
2090년)의 미래 토지피복도를 예측하였으며, 실제 2000년의 피복현황과 비교한 결과 90% 이상 유사한 것으로 나타났다. 미래 토지피복 변화를 분석한 결과, 전체적으로 산림과 논은 꾸준히 감소하고 시가화 지역 등은 증가하는 경향을 나타내었다.
Landsat TM 위성영상을 이용하여 과거 1990년 및 1995년 토지피복 자료를 관측 자료로 사용하여 CA-Markov 연쇄기법에 의한 2000년 토지피복도를 모의하여 비교·검증을 한 후 향후 2050년과 2100년의 토지피복 변화를 모의하였다. 미래 토지피복의 변화를 고려한 유출 변화 분석결과(표 5), 토지피복의 변화를 고려한 유출량이 토지피복의 변화를 고려 하지 않았을 때보다 전체적으로 1.83~2.87%로 소폭 증가하는 것으로 나타났다. 이는 도시화에 따른 시가화 면적이 미래에 증가하고 산림 면적이 감소함에 따라 전체적으로 불투수면적이 증가하기 때문인 것으로 판단되나, 예상보다 전체적인 유출량 증가가 두드러지지 않은 이유는 원자료로 활용한 1990년과 2000년 사이에 금강 유역이 타 유역에 비해 상대적으로 급격한 토지피복의 변화가 나타나지 않아 과거에 있었던 변화를 토대로 미래에 있을 변화를 연속적으로 예측하는 CA-Markov 기법의 특성이 가지는 한계 때문인 것으로 판단된다.
셋째, GIS 자료를 기반으로 SWAT 모형을 이용하여 2001년부터 2006년까지의 과거 일 유출모의를 실시하여 최종 방류부의 관측 유출량과 비교해 본 결과 SWAT 모형의 모의 유출량이 용담댐 및 대청댐유역 각각 90.1% 및 84.3%로 일치하는 등 관측치를 비교적 잘 재현하여 모형의 적용가능성은 충분한 것으로 판단되었다.
표 4는 SWAT모형을 이용하여 용담댐 및 대청댐유역을 대상으로 VER, QER, 그리고 계산유량의 합계와 관측유량의 합계를 나눈 총유출량 오차를 비교하여 나타낸 것이다. 적합성 평가 결과 VER, QER 및 총유출량오차 지표의 평균 오차가 20%미만으로 나타났으며, 모의치와 실측치에 대한 상관관계도 각각 90.1%, 84.3% 일치하는 것으로 나타나 SWAT모형의 적용가능성은 충분한 것으로 판단되었다(그림 6, 그림 7).
첫째, 1975년부터 2000년까지 5년 단위의 Landsat TM 위성영상을 사용한 토지피복에 대한 경년별 추세 분석결과 산림과 논은 꾸준히 감소하고 주거지, 나지, 초지 등은 증가하는 경향을 나타내었다. 금강유역 전체면적 중 시가지의 면적은 1975년에 1.
한편 용담댐 유역내의 천천 수위관측소 지점의 유량을 모형결과로 비교분석 한 결과 91.3% 일치하는 것으로 나타났으며, 동향수위 관측소 지점의 유량은 82.8% 일치하는 것으로 나타났다.

후속연구

CA-Markov 기법은 과거에서 현재까지의 추세를 가지고 미래를 예측하는 일종의 수학 통계적인 프로세스이므로 논과 밭의 경우처럼 일정부분은 실제와는 달리 증가하는 경향을 보일 수 있다. 따라서 향후 보다 신뢰도 높은 토지피복 상태를 예측하기 위해서는 후속연구를 통해 다양한 인문 사회적인 인자도 포함하여 고려해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	A1B시나리오의 특징은 무엇인가?	본 연구에서는 기후변화시나리오의 신뢰성을 위하여 국립기상연구소 기후연구팀에서 “기후변화 협약대응 지역기후시나리오 활용기술개발”(2005~2007)의 일환으로 생산한 A1B 시나리오자료를 이용하였다. A1B시나리오는 현재 이산탄소의 배출량이 점차 증가하여 2050년경 정점에 도달한 다음 그 이후 다소 감소하는 시나리오로 대기 중 이산화탄소의 농도는 2100년경 720 ppm까지 도달할 것으로 예상되는 시나리오로써, 화석에너지 및 고효율 에너지원이 균형 있게 사용된다고 가정하며 현실에 가장 잘 부합되는 시나리오이다.
	GCM이란 무엇인가?	GCM은 전 지구차원의 대기순환모델로서 지구의 대기를 3차원의 불연속 격자시스템으로 구성하고 각 격자점에서의 대기 상태를 지배하는 방정식을 시간 적분하여 지구의 대기상태를 재현 및 예측하는 모형이다. GCM을 이용한 수문기상학적 분석을 실시하기 위해서는 통계적인 방법을 통한 상관분석을 이용하여 작은 규모의 유역에 대한 분석을 실시하거나, GCM결과를 경계조건으로 한 후 RCM모형을 사용하여 국지규모에 대한 분석을 실시하는 방법 등이 주로 이용되고 있다(Park et al.
	SWAT 모형에서 제공하는 SCS 유출곡선법의 개발 목적은 무엇인가?	SWAT 모형에서는 지표면 유출을 평가하기 위해 SCS 유출곡선법과 Green & Ampt 침투법의 두 가지 방법을 제공하고 있으며, 본 연구에서는 SCS 유출곡선법을 선택하여 유출모의에 이용하였다. SCS 유출곡선법은 다양한 토지이용과 토양형태 하에서 유출량을 추정하기 위한 일관성 있는 기준을 제공하기 위하여 개발되었으며, SCS 유출곡선식은 식 (2)와 같다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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