[논문]지리정보를 이용한 지표면조도 산정 방법

최세휴; 서은수

doi:10.11108/kagis.2015.18.3.001

지리정보를 이용한 지표면조도 산정 방법
Estimating Method of Surface Roughness Using Geographic Information 원문보기

한국지리정보학회지 = Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, v.18 no.3, 2015년, pp.1 - 10

초록
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급격한 도시팽창 및 각종 산업시설의 밀집화는 도심지역의 지형지물 변화에 많은 영향을 주게된다. 건물의 고층화가 진행되더라도 기존에 그 지역에 존재하던 주택 및 공업단지와 같은 저층건물과 혼재하게 되며, 이는 건물의 설계풍속 산정 시 중요한 요소인 지표면조도를 산정함에 있어 설계자에게 혼란을 주고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구는 지리정보를 이용하여 지표면조도를 산정하였다. 각 나라 건축구조기준 규정을 참고하여 연구범위 내 건물의 높이에 따라 지표면조도의 구분 방안을 제시하였으며, 1:5,000 수치지형도 자료 및 GIS를 활용하여 지표면조도를 산정하였다. 이는 설계자의 주관에 따라 지표면조도가 산정되는 기존의 문제점을 해결하고 보다 합리적인 내풍설계에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Rapid urban expansion and densification of the various industrial facilities affect the changes of topography and building in urban areas. Even if buildings proceed with high rise, they get mixed with low-rise buildings such as houses and industrial parks that have existed in the area. This may confuse the designer in estimating a surface roughness, an important factor in calculating the design wind velocity of building. This study analyzed the surface roughness by using a geographic information. Referring to the criteria of each country's building code, this study proposed a method to distinguish the surface roughness depending on the height of the surrounding buildings where the design building is located and calculated the surface roughness using 1:5000 topographic map and GIS. It is expected to solve problems that an existing designer calculates the surface roughness in a subjective manner and to help to design more rational buildings resistant to wind.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 지리정보를 활용하여 건축물의 지표면조도를 산정함으로써 설계건물 주변 지형지물의 영향을 지표면조도 산정과정에 반영하고자 한다. 건축물의 높이에 따른 정량적인 지표면조도 구분기준을 제시하고 기존에 지표면조도 산정 시 설계자의 주관에 의존하는 문제점을 개선하여 보다 합리적이고 경제적인 건물의 내풍설계에 기여하고자 한다.
따라서, 본 논문에서는 지리정보를 활용하여 건축물의 지표면조도를 산정함으로써 설계건물 주변 지형지물의 영향을 지표면조도 산정과정에 반영하고자 한다. 건축물의 높이에 따른 정량적인 지표면조도 구분기준을 제시하고 기존에 지표면조도 산정 시 설계자의 주관에 의존하는 문제점을 개선하여 보다 합리적이고 경제적인 건물의 내풍설계에 기여하고자 한다.
본 논문에서는 지리정보를 이용하여 지표면조도를 산정하는 방법을 제안하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 본 논문에서는 각 국가별 지표면조도 산정 기준을 참조하여, 정량화된 건축물의 지표면조도 산정 기준을 제안하였다.

가설 설정

건물의 높이는 수치지도 2.0의 건물 레이어의 속성정보에 입력된 층수를 기준으로 건물층고를 3m로 가정하여 건물의 높이를 건물 층수×3m로 산정하였다.

제안 방법

건물 DTM은 연구범위 내 건물에 대하여 건물의 외곽선을 따라 절점을 생성하였으며, 각 절점 당 건물의 높이를 기준으로 DTM을 생성하였다. 건물의 높이는 수치지도 2.
즉 건물이 높아질수록 지표면조도를 판단하는 영역이 넓어지므로 평탄한 지표면조도를 선택하는 경우가 많아지게 된다. 또한 현재의 지표면 조도 구분의 기준이 설계자의 주관적 판단에 따르고 있다는 문제점이 있어 본 연구에서는 각 나라별 지표면조도 구분 기준을 참고하여, 건물의 높이에 따라 표 5와 같이 건물 높이에 따라 정량화된 지표면조도 구분 기준을 제시하였다.
래스터 모델의 특성상 데이터의 편집이나 지표면조도의 분석을 진행함에 있어서 다소 비효율적인 과정을 거쳐야 하는 단점이 있기 때문에 건물 DTM을 점데이터로 벡터라이징 하였다. 이는 래스터 모델 하나의 Cell이 벡터 모델 하나의 Point 객체로 변환됨을 의미하며, 각각의 Point 객체는 그 위치의 높이 데이터를 속성정보로 가지게 된다.
본 논문에서는 침산동과 괴전동 두지역의 방향별 지표면조도 분포 비율을 표 5에 따라 표 6~7과 같이 분석하였으며, 가장 높은 비율을 나타내는 지표면조도를 대푯값으로 산출하였다.
건물 DTM은 데이터를 취득하는 장비에 따라 수치지형도, LiDAR, 사진측량, 위성영상 등을 이용하여 다양한 방식으로 생성할 수 있으며, 활용용도에 따라 다양한 생성 방법이 존재한다. 본 연구에서는 건물 DTM을 생성하기 위해 상대적으로 경제성과 정확성이 높은 수치지형도를 이용하였으며, 수치지형도에 존재하는 건물 레이어의 높이데이터와, 표고점 레이어의 위치정보를 활용하였다.
수치지형도에서 연구범위내의 건물 레이어를 추출한 뒤 절점을 생성하고 표고점의 높이정보와 함께 보간하여 건물 DTM을 생성하였다. 생성한 건물 DTM을 점데이터로 변환한 뒤, 표 5에서 제시한 지표면조도구분 기준에 따라 점 데이터별로 지표면조도를 구분하였다.
수치지형도 2.0에는 건축물의 층수 및 위치 정보가 포함되어 있어 설계건축물 주변 지형지물의 높이 정보를 확보하는데 용이하므로, 본 연구에서는 1:5000 수치지형도 2.0의 건물 및 표고점 레이어의 데이터를 이용하여 그림 2와 같이 지표면조도를 산정하였다. 수치지형도에서 연구범위내의 건물 레이어를 추출한 뒤 절점을 생성하고 표고점의 높이정보와 함께 보간하여 건물 DTM을 생성하였다.
0의 건물 및 표고점 레이어의 데이터를 이용하여 그림 2와 같이 지표면조도를 산정하였다. 수치지형도에서 연구범위내의 건물 레이어를 추출한 뒤 절점을 생성하고 표고점의 높이정보와 함께 보간하여 건물 DTM을 생성하였다. 생성한 건물 DTM을 점데이터로 변환한 뒤, 표 5에서 제시한 지표면조도구분 기준에 따라 점 데이터별로 지표면조도를 구분하였다.
또한, 건물 높이만으로 건물 DTM을 생성하게 되면, 건물이 존재하지 않는 지표면조도 D와 같은 영역을 반영하지 못한다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 1:5000 수치지형도의 표고점을 이용하였다. 표고점은 하천, 도로, 산지 등과 같이 건물이 거의 존재하지 않는 영역에 다수 분포하고 있어 표고점을 지표면으로 인식할 수 있도록 하여 건물의 절점과 병합하였다.
이렇게 산정된 건물의 절점과 표고점의 높이 정보를 그림 5와 같이 TIN(Triangulated Irregular Networks) 보간법을 이용하여 3차원 지표면을 생성한 뒤 5m×5m 격자간격의 건물DTM을 생성하였다.
본 논문에서는 지리정보를 이용하여 지표면조도를 산정하는 방법을 제안하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 본 논문에서는 각 국가별 지표면조도 산정 기준을 참조하여, 정량화된 건축물의 지표면조도 산정 기준을 제안하였다. 지표면조도 산정 결과 본 연구에서 제안한 방법으로 산정한 지표면조도 대푯값과 건축구조기준에 따른 지표면조도 값이 일치함을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

본 연구의 연구대상지역은 그림 3과 같이 대구광역시 북구 침산동 및 동구 괴전동 일대로 선정하였으며, 풍하중을 산정하고자 하는 설계 건물의 높이를 30m로 가정하였다. 풍속고도분포계수의 적용범위는 40H(1.
본 연구의 연구대상지역은 그림 3과 같이 대구광역시 북구 침산동 및 동구 괴전동 일대로 선정하였으며, 풍하중을 산정하고자 하는 설계 건물의 높이를 30m로 가정하였다. 풍속고도분포계수의 적용범위는 40H(1.2km)와 3km이내이므로 설계건물 중심 반경 1.2km를 연구범위로 선정하였다. 연구대상 지역으로 선정한 침산동은 최근 고층 아파트단지와 상가들이 급격하게 증가했지만, 기존의 저층단독주택 및 공단 역시 다수 남아 있어 다양한 높이의 건물들이 존재하고 있다.

성능/효과

8방위 중 여러 지표면조도가 혼재하고 있는 침산동 N방향을 확인해보면, 그림 7의 a와 같이 설계건축물 주변에는 산지가 포함되어 있고, 북쪽으로는 금호강이 넓게 흐르고 있어 건축물이 존재하지 않는 영역이 넓게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 건축구조기준에 따르면 둘 이상의 지표면조도의 분포비율이 비슷하여 구분이 어려울 경우 검토대상범위 내의 풍상측이 평탄 상태에서 거친 상태로 급변하면 급변하는 지점보다 풍상측에 위치한 평탄상태를 지표면조도로 선택하도록 명시하고 있다.
침산동의 W방향을 확인해보면 그림 7의 b와 같이 설계건축물 근거리를 제외하면 공단이 위치하여, 거의 대부분의 지역이 중 저층의 건축물로 구성되어져 있다. 건축구조기준에 따르면 높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건물이 밀집해 있는 지역 및 중층건물이 산재해 있는 지역은 지표면조도 B이며, 본 연구의 결과인 표 8에서도 지표면조도 B가 가장 높은 비율로 나타남을 확인할 수 있다. 괴전동 E 방향은 그림 7의 d와 같이 논밭이 넓게 분포하고 있으며, 그와 관련된 창고와 같은 시설물들이 위치하고 있다.
둘째, GIS를 이용하여 지표면조도를 산정함으로써, 기존의 모형제작 및 풍동실험, 현지측량의 실험적 모델과 비교했을 때 평가에 필요한 시간과 비용을 단축할 수 있었다. 향후 지표면조도산정을 풍속지형계수 및 풍속고도분포계수에 반영하여 건축물의 설계풍속 산정 과정에 대한 연구가 진행된다면, 수치지형도가 존재하는 대다수 지역의 설계풍속을 쉽고 정확하게 분석함으로써 합리적이고 경제적인 건물의 내풍설계에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
둘째, 검토대상범위 내의 풍상측이 평탄 상태에서 거친 상태로 급변하는 경우에는 급변하는 지점보다 풍상측에 위치한 평탄상태를 지표면조도로 선택한다.
또한 건축구조기준에 따르면 둘 이상의 지표면조도의 분포비율이 비슷하여 구분이 어려울 경우 검토대상범위 내의 풍상측이 평탄 상태에서 거친 상태로 급변하면 급변하는 지점보다 풍상측에 위치한 평탄상태를 지표면조도로 선택하도록 명시하고 있다. 따라서 기존의 방법에 따르면 N방향에 대한 지표면조도는 D로 판단할 수 있으며, 본 연구의 결과인 표 7에서도 지표면조도D가 가장 높은 비율로 나타나 지표면조도 산정 결과가 일치하였다. 침산동의 W방향을 확인해보면 그림 7의 b와 같이 설계건축물 근거리를 제외하면 공단이 위치하여, 거의 대부분의 지역이 중 저층의 건축물로 구성되어져 있다.
E 방향의 건축물의 면적 합계는 E방향 전체 면적의 약 19%로 매우 산재하여 위치하고 있다. 또한 건축물들의 대부분이 1층짜리 시설물이므로, 건축구조기준에 따르면 높이 1.5m~10m 정도의 장애물 및 장애건물이 산재해 있는 지역인 지표면조도 C로 판단할 수 있으며, 본 연구의 결과인 표 7에서도 지표면조도 C가 가장 높은 비율로 나타난다.
셋째, 검토대상범위 내의 풍상측이 거친 상태에서 평탄 상태로 변하는 경우에는 변화 후의 평탄상태를 지표면조도로 선택한다.
즉 본 연구에서 제안한 방법에 따라 지표면조도를 산정할 시, 산지, 하천, 평지, 도심 모두에서 실제 건축구조기준에 따른 지표면조도 결과와 본 연구의 대푯값이 일치함을 확인할 수 있다. 이는 둘 이상의 지표면조도가 혼합되어 있는 지역의 지표면조도를 산정하는데 용이할 것으로 판단된다.
또한 괴전동은 북쪽의 방향에는 도심지가 형성되어 있지만, 남쪽의 방향에는 아직까지 개발이 이루어지지 않아 건축물의 수가 적고 논, 밭, 강이 넓게 분포하고 있다. 즉 침산동 및 괴전동은 두지역 모두 서로 다른 지표면조도가 둘 이상 혼재하는 지역이므로 본 연구의 대상지역에 적합하다고 판단된다.
첫째, 본 논문에서는 각 국가별 지표면조도 산정 기준을 참조하여, 정량화된 건축물의 지표면조도 산정 기준을 제안하였다. 지표면조도 산정 결과 본 연구에서 제안한 방법으로 산정한 지표면조도 대푯값과 건축구조기준에 따른 지표면조도 값이 일치함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 기존의 방법들이 과소 또는 과다 설계를 발생시키는 문제점을 완화할 수 있을 것으로 기대된다.
첫째, 검토대상범위 내의 풍상측에 급격한 지표면조도의 변화가 없는 경우에는 45 〬 범위내의 평균적인 지표면 상태를 그 풍향에 대한 지표면조도로 한다. 일반적으로 평탄한 지표면조도를 선정하는 것이 풍하중이 커져 안전해진다.

후속연구

둘째, GIS를 이용하여 지표면조도를 산정함으로써, 기존의 모형제작 및 풍동실험, 현지측량의 실험적 모델과 비교했을 때 평가에 필요한 시간과 비용을 단축할 수 있었다. 향후 지표면조도산정을 풍속지형계수 및 풍속고도분포계수에 반영하여 건축물의 설계풍속 산정 과정에 대한 연구가 진행된다면, 수치지형도가 존재하는 대다수 지역의 설계풍속을 쉽고 정확하게 분석함으로써 합리적이고 경제적인 건물의 내풍설계에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물 DTM은 어떻게 생성할 수 있는가?	건물 DTM은 데이터를 취득하는 장비에 따라 수치지형도, LiDAR, 사진측량, 위성영상 등을 이용하여 다양한 방식으로 생성할 수 있으며, 활용용도에 따라 다양한 생성 방법이 존재한다. 본 연구에서는 건물 DTM을 생성하기 위해 상대적으로 경제성과 정확성이 높은 수치지형도를 이용하였으며, 수치지형도에 존재하는 건물 레이어의 높이데이터와, 표고점 레이어의 위치정보를 활용하였다.
	래스터 모델의 단점은 무엇인가?	래스터 모델의 특성상 데이터의 편집이나 지표면조도의 분석을 진행함에 있어서 다소 비효율적인 과정을 거쳐야 하는 단점이 있기 때문에 건물 DTM을 점데이터로 벡터라이징 하였다. 이는 래스터 모델 하나의 Cell이 벡터 모델 하나의 Point 객체로 변환됨을 의미하며, 각각의 Point 객체는 그 위치의 높이 데이터를 속성정보로 가지게 된다.
	건물 DTM을 점데이터로 벡터라이징 하는 것은, 무엇을 의미하는가?	래스터 모델의 특성상 데이터의 편집이나 지표면조도의 분석을 진행함에 있어서 다소 비효율적인 과정을 거쳐야 하는 단점이 있기 때문에 건물 DTM을 점데이터로 벡터라이징 하였다. 이는 래스터 모델 하나의 Cell이 벡터 모델 하나의 Point 객체로 변환됨을 의미하며, 각각의 Point 객체는 그 위치의 높이 데이터를 속성정보로 가지게 된다. 생성된 점 데이터를 추출한 뒤 표 5에 제시된 기준으로 지표면 조도를 구분하였으며, 그 결과를 그림 6에 나타내었다.

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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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