[논문]3차원 지형모델링에 기반한 도시하천의 계획 및 설계

박은관; 유지호; 이현직

doi:10.7319/kogsis.2015.23.2.059

3차원 지형모델링에 기반한 도시하천의 계획 및 설계
The Planning and Design of Urban Streams Based on 3D Terrain Modelling 원문보기

한국지형공간정보학회지 = Journal of the korean society for geospatial information science, v.23 no.2, 2015년, pp.59 - 67

박은관 ((주)미래기술단) , 유지호 (상지대학교 건설시스템공학과) , 이현직 (상지대학교 건설시스템공학과)

초록
AI-Helper

치수적 안전은 하천의 계획에 있어 가장 먼저 고려해야 할 사항이며 최근 폭넓게 진행 중인 하천의 복원에 있어서도 치수적 안전은 기본적인 전제조건이 된다. 안전한 하천의 계획은 정확한 측량자료로부터 시작된다. 본 연구에서는 스마트 지형공간정보를 이용하여 하천의 3차원 지형모델을 제작하고 제작된 3차원 지형모델을 이용하여 하천의 수리해석 및 하천 복원에 적용하였다. 이를 통해 상세한 하천 현황 데이터를 추출함으로써 보다 정확한 수리해석이 가능하였다. 또한, LiDAR 데이터를 도시하천의 수리해석에 이용할 경우 적용할 수 있도록 효율적인 데이터 처리와 수리해석의 정확성을 고려한 최적 횡단면 간격을 결정하였다. 하천 복원 설계를 위한 3차원 설계방안과 하천의 다양한 공간계획에 3차원 지형모델을 이용할 수 있는 활용 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

When planning for streams, adequate and definite flood control should be in the primary consideration of the planner; likewise, flood control is the basic prerequisite for the recent river restoration taking place nationwide. Planning 'safe' streams and rivers that are predictable and controllable begins from accurate survey data. In this research, we will create streams in 3D terrain models and apply them through hydraulic analysis and restoration using smart geospatial information. This process allows the extraction of more accurate data regarding streams and rivers, which makes possible precise hydraulic analysis that is superior in details to the conventional methods. The study also proposes optimal vertical section interval for efficient data processing on hydraulic analysis, applicable when LiDAR data is utilized on hydraulic analysis of urban streams. The study proposes 3D design plan and various applications for spatially planning and restoring rivers and streams.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

앞의 연구들은 수치지형도 또는 현장 측량성과와 항공레이저측량의 침수 비교 분석이나 단면의 비교·분석을 통하여 항공레이저측량 데이터의 정확도가 상대적으로 높다는 사실을 확인시켜주는 단계까지 이르러 있다. 따라서 본 연구에서는 스마트 지형공간정보를 이용하여 하천의 수리해석방안을 제시하고, 3차원 하천지형 모델 제작을 통한 하천 복원 및 친환경 생태학적 도시 하천 조성을 위한 공간계획에 적용함으로써 도시하천을 위한 스마트 지형공간정보의 활용범위를 확대할 수있는 방안을 제시하고자 하였다. Fig.
그러나 지나치게 좁은 간격은 얻는 성과에 비교하여 데이터의 처리시간의 효율이 매우 떨어지게 된다. 따라서 수리해석의 정확도를 일정수준으로 유지하며 데이터 처리의 효율성이 저하되지 않는 최적 횡단면 간격을 결정하고자 하였다.
정부와 지자체는 인공구조물에 덮인 획일적인 도시하천을 생태계를 고려한 자연형 하천으로 복원하기 위한 노력을 기울이고 있으나 복원을 위한 계획 및 설계는 기존의 2차원적인 설계에서 크게 벗어나지 못하고 있는 상태이다. 본 연구에서는 스마트 지형공간정보를 이용하여 하천복원을 위한 3차원 설계를 진행함으로써 하천 계획에서의 스마트 지형공간정보의 활용방안을 찾고자 하였다.

가설 설정

원주시의 도심에 인접한 원주천 구간을 자연형 하천으로 복원하는 것으로 가정하고 설계를 진행하였다. Fig.

제안 방법

LiDAR 데이터로부터 횡단선형을 자동추출한 후 HEC-RAS를 이용하여 현장측량성과와의 수리해석 결과를 비교하였다. 두 데이터의 횡단선형의 차이에 의한 하천형상정보를 제외한 그외의 모든 조건은 동일하게 진행하였다.
따라서 동일 위치에서 LiDAR 데이터의 횡단을 추출하였으며 추출과정은 LiDAR 데이터로부터 1m×1m DEM을 먼저 생성한 후 이 DEM 으로부터 횡단을 추출하였다.
복원 계획을 지형모델로 제작한 후 지형모델로부터 횡단을 자동 추출하여 치수적 안전성을 검토하였다. 이 과정은 앞서 HEC-GeoRAS 및 HEC-RAS를 이용하여 진행한 것과 동일한 방식으로 진행하였으며 복원 전과 차이 없음을 확인하고 후속적인 모델링을 진행하였다.
본 실험에는 최대의 정확도를 가진 횡단면 간격 1m 를 최확값으로 하고 2m, 5m, 10m, 25m, 50m, 100m 간격으로 추출한 횡단면에 대해 계획홍수위를 비교 분석하였다. 분석 결과 계획홍수위의 RMSE가 횡단면 간격별로 각각 0.
본 연구는 LiDAR 데이터, 디지털항공사진 및 다양한 디지털자료가 융합된 스마트 지형공간정보에 기반한 도시하천의 3차원 모델을 제작하고 하천의 수리해석 및 계획에 적용하였으며, 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
종이도면 형태의 현장측량성과를 도곽단위로 정위치 편집하고 현황 측점에 대한 3차원 좌표를 획득한 후 벡터화하여 횡단면을 생성하였다. 생성된 횡단면 자료를 이용하여 대상하천의 DEM을 제작하였다. Fig.
셋째, 3차원 모델링을 통한 하천 복원 설계를 진행하고 다양한 공간계획에 적용함으로써 하천계획에 스마트 지형공간정보를 활용할 수 있는 방안을 제시하였다.
실제 하천의 형상이 홍수위에 미치는 영향을 분석하기 위해 현장측량과 LiDAR간의 계획홍수위를 비교분석하였다. 현장측량에서는 종단 방향 100m 간격으로 횡단측량이 이루어졌다.
연구대상지역의 현장측량성과와 동일한 구역에 대해 도곽별로 LiDAR 데이터를 이용하여 DEM과 DSM을 제작한 후 전체구간의 모델을 연결하였다. Fig.
복원 계획을 지형모델로 제작한 후 지형모델로부터 횡단을 자동 추출하여 치수적 안전성을 검토하였다. 이 과정은 앞서 HEC-GeoRAS 및 HEC-RAS를 이용하여 진행한 것과 동일한 방식으로 진행하였으며 복원 전과 차이 없음을 확인하고 후속적인 모델링을 진행하였다. Fig.
하천 내의 구조물과 제내지의 건물에 대한 모델링을 위하여 Bentley사의 Microstation과 Terrasolid사의 Terrascan, Terrasolid를 이용하여 LiDAR 데이터로부터 DEM, DSM을 생성하였다. 이들 구조물에 대한 평면 위치와 높이값을 이용하여 3D 모델을 제작한 후 현장에서 건물 등 구조물의 외관을 촬영한 사진을 3D 모델에 텍스쳐 매핑함으로써 구조물에 대한 3차원 모델을 완성하였다. 3차원 모델링 작업에는 AutoDesk사의 AutoCAD, 3DS MAX와 Trimpble사의 SketchUP을 사용하였다.
종이도면 형태의 현장측량성과를 도곽단위로 정위치 편집하고 현황 측점에 대한 3차원 좌표를 획득한 후 벡터화하여 횡단면을 생성하였다. 생성된 횡단면 자료를 이용하여 대상하천의 DEM을 제작하였다.
하천 내의 구조물과 제내지의 건물에 대한 모델링을 위하여 Bentley사의 Microstation과 Terrasolid사의 Terrascan, Terrasolid를 이용하여 LiDAR 데이터로부터 DEM, DSM을 생성하였다. 이들 구조물에 대한 평면 위치와 높이값을 이용하여 3D 모델을 제작한 후 현장에서 건물 등 구조물의 외관을 촬영한 사진을 3D 모델에 텍스쳐 매핑함으로써 구조물에 대한 3차원 모델을 완성하였다.

대상 데이터

스마트 지형공간정보로는 2006년 취득된 점밀도 3~6점/m²의 LiDAR 데이터 및 GSD 25cm 급의 고해상도 디지털항공사진 자료를 수집하였다.
연구대상지역은 원주시 도심을 관류하고 있으며 우기를 제외하면 평소의 수심이 1m 미만인 원주천으로 정하였다.
원주천의 치수 안전성 분석을 위해 기존의 측량방법에 의한 성과로서 건설교통부(2004년)의 섬강수계(전천, 원주천) 유역종합치수계획의 현황측량 및 종⋅횡단 측량성과 측량자료를 수집하였다.
항공레이저측량 데이터는 점밀도가 최소 3~6점/m² (항공레이저측량 작업규정의 점밀도 기준 2.5점/m2)으로 지형의 상세한 표현이 가능하며 1m × 1m 크기의 DEM을 생성할수 있는 3차원 지형공간정보이다.

데이터처리

일조분석에는 Trimble사의 SketchUP을 이용하였으며 프로그램이 제공하는 기본 기능으로 일조분석이 가능하다. 일조분석 결과 해당 위치의 일조시간은 8월의경우 6시부터 11시까지 해가 비추지 않는 것으로 나타났으며 이러한 결과는 지형모델링이 조경 또는 관련 업무에도 적용이 가능함을 나타내는 것이다.

이론/모형

따라서 동일 위치에서 LiDAR 데이터의 횡단을 추출하였으며 추출과정은 LiDAR 데이터로부터 1m×1m DEM을 먼저 생성한 후 이 DEM 으로부터 횡단을 추출하였다. LiDAR의 DEM으로부터 횡단 추출 시 측점수가 매우 많으므로 측점의 자동 추출을 위해 미국 육군공병단에서 개발한 HEC-GeoRAS 를 이용하였다. 이 소프트웨어는 지형데이터로부터 하천 단면 데이터를 자동으로 추출하여 수리해석 도구인 HEC-RAS에 입력할 수 있는 기능을 가지고 있다.

성능/효과

둘째, 스마트 지형공간정보를 이용한 3차원 지형모델로부터 도시하천의 횡단면을 추출하여 수리해석에 이용하는 경우 최적단면 간격은 10m임을 제시하였다.
따라서 갈수기에 취득된 항공레이저측량데이터를 이용하면 도시하천에 대한 1m × 1m 크기의 DEM 생성이 가능하며 일정한 간격으로 진행되는 기존의 현장측량방법에 비해 매우 상세한 하천 단면 정보를 얻을 수 있다.
본 실험에는 최대의 정확도를 가진 횡단면 간격 1m 를 최확값으로 하고 2m, 5m, 10m, 25m, 50m, 100m 간격으로 추출한 횡단면에 대해 계획홍수위를 비교 분석하였다. 분석 결과 계획홍수위의 RMSE가 횡단면 간격별로 각각 0.07m, 0.11m, 0.17m, 0.25m, 0.28m, 1.08m로 나타났다. Fig.
일조분석에는 Trimble사의 SketchUP을 이용하였으며 프로그램이 제공하는 기본 기능으로 일조분석이 가능하다. 일조분석 결과 해당 위치의 일조시간은 8월의경우 6시부터 11시까지 해가 비추지 않는 것으로 나타났으며 이러한 결과는 지형모델링이 조경 또는 관련 업무에도 적용이 가능함을 나타내는 것이다.
첫째, 현장측량성과와 스마트 지형공간정보를 이용한 수리해석에서 스마트 지형공간정보가 상세한 지형 정보를 담고 있음에 따라 계획홍수위가 더 낮게 나타남을 확인하였다.
홍수위에 영향을 미치는 요인 가운데 하나인 통수 단면적을 비교한 결과 대체로 LiDAR 데이터의 통수 단면적이 더 넓은 것으로 나타났다. 원주천 도심구간인 75번 단면에서 94번 단면까지의 단면적에 대한 RMSE 는 77.

후속연구

앞의 연구들은 수치지형도 또는 현장 측량성과와 항공레이저측량의 침수 비교 분석이나 단면의 비교·분석을 통하여 항공레이저측량 데이터의 정확도가 상대적으로 높다는 사실을 확인시켜주는 단계까지 이르러 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치수적 안전의 중요성은?	치수적 안전은 하천의 계획에 있어 가장 먼저 고려해야 할 사항이며 최근 폭넓게 진행 중인 하천의 복원에 있어서도 치수적 안전은 기본적인 전제조건이 된다. 안전한 하천의 계획은 정확한 측량자료로부터 시작된다.
	스마트 지형공간정보를 활용한 것은?	안전한 하천의 계획은 정확한 측량자료로부터 시작된다. 본 연구에서는 스마트 지형공간정보를 이용하여 하천의 3차원 지형모델을 제작하고 제작된 3차원 지형모델을 이용하여 하천의 수리해석 및 하천 복원에 적용하였다. 이를 통해 상세한 하천 현황 데이터를 추출함으로써 보다 정확한 수리해석이 가능하였다.
	제작된 3차원 지형모델을 이용하여 하천의 수리해석 및 하천 복원에 적용으로 가능해진 것은?	본 연구에서는 스마트 지형공간정보를 이용하여 하천의 3차원 지형모델을 제작하고 제작된 3차원 지형모델을 이용하여 하천의 수리해석 및 하천 복원에 적용하였다. 이를 통해 상세한 하천 현황 데이터를 추출함으로써 보다 정확한 수리해석이 가능하였다. 또한, LiDAR 데이터를 도시하천의 수리해석에 이용할 경우 적용할 수 있도록 효율적인 데이터 처리와 수리해석의 정확성을 고려한 최적 횡단면 간격을 결정하였다.

참고문헌 (10)

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Park, H. C., 2011, A Study of Techniques for Precise Evaluation of River Topography by using Multi-dimensional Spatial Information, Master's Thesis, University of Kyungil.
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USACE, 2010, HEC-RAS River Analysis System user's Manual, Hydraulic Engineering Center.

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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