The accuracy of digital elevation models (DEMs) is crucial for properly estimating flood inundation area. DEM pixel size is especially important when generating flood inundation maps of small streams with a channel width of less than 50 m. In Korea, DEMs with large spatial resolutions of 30 m have b...
The accuracy of digital elevation models (DEMs) is crucial for properly estimating flood inundation area. DEM pixel size is especially important when generating flood inundation maps of small streams with a channel width of less than 50 m. In Korea, DEMs with large spatial resolutions of 30 m have been widely applied to generate flood inundation maps, even for small streams. Additionally, when making river master plans, field observations of stream cross-sections, as well as reference points in the middle of the river, have not previously been used to enhance the DEM. In this study, it was graphically demonstrated that high-resolution DEMs can increase the accuracy of flood inundation mapping, especially for small streams. Also, a methodology was proposed to modify the existing low-resolution DEMs by adding additional survey reference points, including river cross-sections, and interpolating them into a high spatial resolution DEM using the inverse distance weighting method. For verification purposes, the modified DEM was applied to Han stream on Jeju Island. The modified DEM showed much better accuracy when describing morphological features near the stream. Moreover, the flood inundation maps were formulated with the original 30 m pixel DEM and the modified 0.1 m pixel DEM using HEC-RAS modeling of the actual flood event of Typhoon Nari, and then compared with the flood history map of Nari. The results clearly indicated that the modified DEM generated a similar inundation area, but a very poor estimate of inundation area was derived from the original low-resolution DEM.
The accuracy of digital elevation models (DEMs) is crucial for properly estimating flood inundation area. DEM pixel size is especially important when generating flood inundation maps of small streams with a channel width of less than 50 m. In Korea, DEMs with large spatial resolutions of 30 m have been widely applied to generate flood inundation maps, even for small streams. Additionally, when making river master plans, field observations of stream cross-sections, as well as reference points in the middle of the river, have not previously been used to enhance the DEM. In this study, it was graphically demonstrated that high-resolution DEMs can increase the accuracy of flood inundation mapping, especially for small streams. Also, a methodology was proposed to modify the existing low-resolution DEMs by adding additional survey reference points, including river cross-sections, and interpolating them into a high spatial resolution DEM using the inverse distance weighting method. For verification purposes, the modified DEM was applied to Han stream on Jeju Island. The modified DEM showed much better accuracy when describing morphological features near the stream. Moreover, the flood inundation maps were formulated with the original 30 m pixel DEM and the modified 0.1 m pixel DEM using HEC-RAS modeling of the actual flood event of Typhoon Nari, and then compared with the flood history map of Nari. The results clearly indicated that the modified DEM generated a similar inundation area, but a very poor estimate of inundation area was derived from the original low-resolution DEM.
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문제 정의
둘째, 역거리가중법을 통한 공간보간은 본 논문에서 신규로 제시하는 것이 아닌 GIS에서 일반적으로 사용되는 기법이다. 다만, 본 논문에서 강조하는 점은 일반적인 역거리가중법을 사용하더라도 중소하천용 홍수범람지도 작성을 위해서 가능하면 작은 격자크기로 보간하는 것이 유리하다는 점을 실제 사례를 통해 제시하려고 하였다. 따라서, 0.
4 참조) 측량점과 등고선 및 하천 횡단의 좌표들을 기존 30 m DEM과 결합하여 보간하였다. 보간 시, 공간해상도는 임의적으로 조정할 수 있으며 본 연구에서는 Fig. 7b와 같이 제내지와 제외지의 DEM 정밀도를 0.1 m까지 상세화 하고자 하였다. 상세화된 DEM은 하도 형상과 주변 형상이 추가적인 측량성과가 반영되어 상세화되기 전 DEM에 비해 지형의 형상을 적절히 묘사할 수 있다고 볼 수 있다.
따라서, 추가 측량성과를 사용하고, 상세화 격자로 재보간 과정을 거쳐 도출된 DEM이 일반적으로 확보할 수 있는 해상도가 낮은 DEM에 비해 홍수범람이 발생할 수 있는 하도 주변을 적절히 표출하는 지를 확인할 필요가 있다. 본 연구에서는 중소하천이 포함된 대상유역으로 제주시 도심을 통과하는 한천 유역 중 하류부를 선택하여 DEM을 개선시켰고 기존 DEM에 비해 하천 주변 지형의 개선 여부를 평가하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 저해상도 DEM을 중소하천에 적용할 경우 홍수범람지도 발생할 수 있는 문제를 도해적으로 제시하고, 기존 국토공간영상정보서비스에서 제공하는 공간해상도 30 m DEM을 기반으로 하천 기본계획 작성 시 확보된 하천 단면 및 제내지 기준점 측량 성과를 결합하여 고정밀도 DEM을 생성시키는 방안을 제시하였다. 개선된 DEM의 적용성 평가를 위해 하폭 약 50 m 중소하천인 제주도 한천에 DEM을 시범적으로 구축하였고, 개선 전후 DEM을 비교하여 하도 주변 지형의 묘사의 적절성을 평가하였다.
이에 본 연구에서는 중소하천 홍수범람지도 작성을 위해 국토공간영상정보서비스 등에서 제공하는 30×30 m 격자 크기의 저해상도 DEM이 주어졌다고 가정하고, 하천정비기본계획 시 작성되는 1/1,000 수치지도의 등고선, 측량 표고점, 하천횡단 실측점 및 통합기준점 등을 합성하여 높은 해상도로 재보간하여 하천 부근 지역의 고해상도 DEM을 제작하는 방안을 제시하고자 한다(Fig. 4).
제안 방법
4. A procedure for modifying relatively rough DEM to spatially detailed and accurate DEM in addition of 1:1,000 contour, elevation reference points and river cross-section, where a specified spatial interpolation technique was applied.
6. Han stream basin where the modified DEM was verified to demonstrate the enhancement for mapping flood inundation.
이에 본 연구에서는 저해상도 DEM을 중소하천에 적용할 경우 홍수범람지도 발생할 수 있는 문제를 도해적으로 제시하고, 기존 국토공간영상정보서비스에서 제공하는 공간해상도 30 m DEM을 기반으로 하천 기본계획 작성 시 확보된 하천 단면 및 제내지 기준점 측량 성과를 결합하여 고정밀도 DEM을 생성시키는 방안을 제시하였다. 개선된 DEM의 적용성 평가를 위해 하폭 약 50 m 중소하천인 제주도 한천에 DEM을 시범적으로 구축하였고, 개선 전후 DEM을 비교하여 하도 주변 지형의 묘사의 적절성을 평가하였다. 또한, 2007년 태풍 나리 유출 사상 자료를 기반으로 HEC-RAS 모델링을 통해 확보된 홍수위를 개선 전, 후 DEM에 적용하여 홍수범람지도를 생성하고 실제 침수흔적도와 비교하여 중소하천에서 DEM 개선효과를 분석하였다.
한편 홍수범람지도 작성 시 필수적인 홍수위 계산은 HEC-RAS와 같은 1차원 수치모형을 활용할 경우, 보통 1 cm 단위로 정밀하게 홍수위를 산출할 수 있다. 그리고, 수치모형으로 도출된 홍수위을 공간적으로 외삽하여 홍수위 표고자료를 래스터 형태로 생성하고 주어진 수치지형도(DEM)와 표고를 비교하여 홍수위가 표고보다 높은 지역을 범람지역으로 처리한다. 그런데, 국가 제공 DEM의 경우 표고의 증감단위가 1 m 인 정수형 표고를 제공하는 경우가 대다수로, 실수형 표고인 홍수위 래스터와 절대비교가 되지 않아 1 cm 단위의 홍수위 래스터가 정수형으로 반올림되어 비교되므로 오차가 발생 할 수 있다.
개선된 DEM의 적용성 평가를 위해 하폭 약 50 m 중소하천인 제주도 한천에 DEM을 시범적으로 구축하였고, 개선 전후 DEM을 비교하여 하도 주변 지형의 묘사의 적절성을 평가하였다. 또한, 2007년 태풍 나리 유출 사상 자료를 기반으로 HEC-RAS 모델링을 통해 확보된 홍수위를 개선 전, 후 DEM에 적용하여 홍수범람지도를 생성하고 실제 침수흔적도와 비교하여 중소하천에서 DEM 개선효과를 분석하였다.
본 연구에서는 하천기본계획 등 추가적인 측량 자료들을 이용하여(Fig. 4 참조) 측량점과 등고선 및 하천 횡단의 좌표들을 기존 30 m DEM과 결합하여 보간하였다. 보간 시, 공간해상도는 임의적으로 조정할 수 있으며 본 연구에서는 Fig.
대상 데이터
따라서, 개선된 DEM을 이용한 중소하천의 홍수범람지도 작성의 적용성을 검토하기 위해 실제 침수흔적도와 비교해 볼 필요가 있다. 본 연구에서 지정한 제주 한천 유역에서의 대표적인 홍수범람은 2007년 태풍 나리로 인해 발생하였다. 특히, 태풍 나리 내습 시 제주시에 위치한 한천 하류에 발생한 범람은 많은 침수피해를 발생시켰다(Fig.
이론/모형
Create Terrain 방법은 공간보간법 중 하나로 지형측량, 현황측량 자료, 하천기본계획의 측량성과 합성 후 재보간하는 방법이다. 보간법으로 역거리가중법(Inversed Distance Weighted Method)이 사용되었고, 보간 시 신규 생성 DEM의 격자 크기를 지정할 수 있도록 하였다.
4). 우선 기존 저해상도 DEM에 측량성과 점들의 합성을 위해 ArcGIS프로그램의 Create Terrain 방법을 활용하였다. Create Terrain 방법은 공간보간법 중 하나로 지형측량, 현황측량 자료, 하천기본계획의 측량성과 합성 후 재보간하는 방법이다.
9b는 태풍 나리 시 기록된 침수흔적도이다. 홍수 범람지도 작성을 위한 홍수위 모의를 위해 HEC-RAS 모형을 적용하였고, 모의 구역은 홍수피해가 집중적으로 발생한 한천 하류로 국한하였으며(Fig. 6), 홍수량은 태풍 나리 시 실제 관측된 첨두홍수량인 566 m3/s를 활용하였다.
성능/효과
5에 제시된 바와 같이 점차적으로 변화할 수 있게 만들어 주는 것이 유리하다고 할 수 있다. 넷째, 고해상도로 DEM을 개선할 경우, 중소하천의 경우에도 홍수범람지도를 오차를 상당부분 저감할 수 있다.
그러나, 중소하천 부근은 저해상도 DEM의 격자의 크기 ( 예 : 30 m ) 에 비해 매우 협소하고 대다수 하천단면에 대한 정보를 누락하거나 정밀하게 포함하지 않아 홍수범람지도 작성 시 상당한 오차를 수반할 수 있다. 둘째, 하천기본계획 등으로 하천단면과 주변의 측량성과가 이미 존재하는 바 기존 저해상도 DEM을 개선할 여지가 있다. 셋째, GIS를 통해 추가 측량 성과를 활용하여 기존 저해상도 DEM을 개선하기 위해 공간보간 할 경우, DEM을 고해상도 (예 : 0.
10a와 같이 추가 측량점으로 보정되지 못한 30×30 m DEM을 사용하여 홍수범람지도를 작성한 결과는 한천과 같은 중소하천 구역에서는 실제 홍수범람 양상을 적절히 모의하지 못함을 알 수 있다. 또한 Fig. 10b와 같이, 하천기본계획의 추가 측량점으로 보정하였으나 보간 시 30 m의 격자크기를 유지할 경우, Fig. 10a에 비해 범람 구역이 일부 개선되었으나, Fig. 2와 Fig. 5에서 제시된 바와 같이 중소하천 유역의 상세한 지형이 평균되어 홍수범람지도 작성에 오차를 수반할 수 있음을 알 수 있다. 이에 비해, Fig.
이러한 결과는 중소하천 유역의 홍수범람지도 작성 시 기존 일반적으로 제공되는 30×30 m 격자인 DEM은 홍수가 발생하는 하천주변의 지형을 정확하게 제공하지 못해 상당한 오차를 발생시켜 중소하천 홍수범람지도 작성에 적절치 않음을 알 수 있다. 또한, 비록 추가 측량점을 사용하여 하천주변의 지형을 반영하였다고 해도 공간보간 시 격자의 크기를 30 m로 유지했을 경우 홍수범람지도 작성에 오차가 수반됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 중소하천 홍수범람지도 작성 시 하천기본계획 등에 의해 제공되는 추가 측량점을 활용하여 DEM을 개선하고 공간보간 시 격자의 크기를 중소하천의 규모를 반영하여 가능하면 작게 산정하는 것이 홍수범람지도의 정확도를 높일 수 있다는 점을 시사한다.
본 논문의 결과는 기존 침수흔적도와 비교해 보았을 때 중소하천 홍수범람지도를 비교적 성공적으로 구현해 낼 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 다음과 같은 일부 한계도 존재한다.
둘째, 하천기본계획 등으로 하천단면과 주변의 측량성과가 이미 존재하는 바 기존 저해상도 DEM을 개선할 여지가 있다. 셋째, GIS를 통해 추가 측량 성과를 활용하여 기존 저해상도 DEM을 개선하기 위해 공간보간 할 경우, DEM을 고해상도 (예 : 0.1 m)로 보간하여 협소한 하천 주변의 지형이 Fig. 5에 제시된 바와 같이 점차적으로 변화할 수 있게 만들어 주는 것이 유리하다고 할 수 있다. 넷째, 고해상도로 DEM을 개선할 경우, 중소하천의 경우에도 홍수범람지도를 오차를 상당부분 저감할 수 있다.
1 m일 필요는 없고 유역의 지형 특정에 맞춰 변경할수 있다. 셋째, 제주 한천 유역의 사례를 볼 때 수정 후 상세화된 DEM을 사용한 홍수범람지도가 실제 범람 구역과 비교하여 상대적으로 정확하게 나타났다. 그러나, 실제 침수흔적도는 하천범람 뿐만 아니라 도심지 우수관의 배수계통 문제와 상류로부터 내려온 잡목 등에 의해 발생 문제로 인한 침수발생도 포함되어 있기 때문에 모의를 통한 실제 범람구역과 일치하는 것은 불가능하고 중소하천 유역의 특성이 상이한 지역이 많으므로 반드시 개선된다고 보기에는 힘들 수 있으므로 추후 보다 많은 사례 분석을 통한 검증이 필요하다고 하겠다.
이러한 결과는 중소하천 유역의 홍수범람지도 작성 시 기존 일반적으로 제공되는 30×30 m 격자인 DEM은 홍수가 발생하는 하천주변의 지형을 정확하게 제공하지 못해 상당한 오차를 발생시켜 중소하천 홍수범람지도 작성에 적절치 않음을 알 수 있다.
또한, 비록 추가 측량점을 사용하여 하천주변의 지형을 반영하였다고 해도 공간보간 시 격자의 크기를 30 m로 유지했을 경우 홍수범람지도 작성에 오차가 수반됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 중소하천 홍수범람지도 작성 시 하천기본계획 등에 의해 제공되는 추가 측량점을 활용하여 DEM을 개선하고 공간보간 시 격자의 크기를 중소하천의 규모를 반영하여 가능하면 작게 산정하는 것이 홍수범람지도의 정확도를 높일 수 있다는 점을 시사한다.
5에서 제시된 바와 같이 중소하천 유역의 상세한 지형이 평균되어 홍수범람지도 작성에 오차를 수반할 수 있음을 알 수 있다. 이에 비해, Fig. 10c에 나타난 바와 같이 추가 측량자료를 기반으로 0.1 m까지 조밀하게 보간된 DEM을 사용하였을 경우, 실제 태풍 나리 범람 흔적도와 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 중소하천 유역의 홍수범람지도 작성 시 기존 일반적으로 제공되는 30×30 m 격자인 DEM은 홍수가 발생하는 하천주변의 지형을 정확하게 제공하지 못해 상당한 오차를 발생시켜 중소하천 홍수범람지도 작성에 적절치 않음을 알 수 있다.
그러나, 다음과 같은 일부 한계도 존재한다. 첫째, 본 논문에서 제시하는 30 m DEM은 최근 LiDAR 측량 기법 등을 활용해 전 국가적으로 DEM의 해상도를 높이는 작업이 진행됨에 따라 개선될 수 있으므로 30 m 격자크기는 저해상도 DEM을 대표하는 의미로 사용되었고, 이 경우 홍수범람지도의 정확성이 실제보다 낮게 평가될 수 있을 가능성이 있다. 둘째, 역거리가중법을 통한 공간보간은 본 논문에서 신규로 제시하는 것이 아닌 GIS에서 일반적으로 사용되는 기법이다.
2와 같다. 첫째, 제내지 범람 지역을 예측함에 있어 정밀도가 낮은 DEM을 이용할 경우 Fig. 2a와 같이 하나의 격자 내에 중소하천 제내지의 지형 및 지물들이 포함될 수 있고, 결과적으로 Fig. 2c,e와 같이 작은 홍수위 변화에도 격자가 홍수 혹은 비홍수 지역으로 매우 민감하게 변화한다. 즉, 실제 범람 양상이 Fig.
후속연구
셋째, 제주 한천 유역의 사례를 볼 때 수정 후 상세화된 DEM을 사용한 홍수범람지도가 실제 범람 구역과 비교하여 상대적으로 정확하게 나타났다. 그러나, 실제 침수흔적도는 하천범람 뿐만 아니라 도심지 우수관의 배수계통 문제와 상류로부터 내려온 잡목 등에 의해 발생 문제로 인한 침수발생도 포함되어 있기 때문에 모의를 통한 실제 범람구역과 일치하는 것은 불가능하고 중소하천 유역의 특성이 상이한 지역이 많으므로 반드시 개선된다고 보기에는 힘들 수 있으므로 추후 보다 많은 사례 분석을 통한 검증이 필요하다고 하겠다.
중소하천 주변 지형(DEM)의 정확도는 홍수범람구역을 결정하는 데 영향을 준다. 따라서, 추가 측량성과를 사용하고, 상세화 격자로 재보간 과정을 거쳐 도출된 DEM이 일반적으로 확보할 수 있는 해상도가 낮은 DEM에 비해 홍수범람이 발생할 수 있는 하도 주변을 적절히 표출하는 지를 확인할 필요가 있다. 본 연구에서는 중소하천이 포함된 대상유역으로 제주시 도심을 통과하는 한천 유역 중 하류부를 선택하여 DEM을 개선시켰고 기존 DEM에 비해 하천 주변 지형의 개선 여부를 평가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
홍수범람지도란?
홍수범람지도란, 돌발호우나 태풍으로 인한 홍수 발생 시 인명 및 재산피해를 최소화하기 위해 홍수지역을 미리 예측 가능하도록 제작된 지도이다. 홍수범람지도는 홍수에 대비하여 도시계획이나 댐 수위 조절 운영, 제방 등의 설계에 주요 지표로 사용되며 거주지역에 대한 홍수발생 여부를 예보하거나 홍수 발생 시 신속하고 안전하게 대피하도록 하는 홍수 예·경보 시스템 구축 등에 중요한 역할을 한다(Ministry of Public Safety and Security, 2015).
최근 DEM의 공간정밀도를 향상시켜 홍수범람지도의 정확성을 높이기 위해 인공위성, 항공사진, LiDAR 측량 기법 등을 활용하는 방식의 한계점은?
, 2013). 그러나, 이러한 방식들은 고비용을 수반하여 중소하천에 적용하는 단계에 이르지 못하고, 오히려 국가의 중점 홍수관리 대상인 국가하천 규모의 정밀 홍수범람지도 작성 시 활용되고 있다. 따라서, 중소하천의 홍수범람도 작성에는 여전히 저해상도의 DEM이 사용되고 있어 정확도가 높은 범람지도가 생성되지 못하고 있는 실정이다(Lee, 2014).
홍수범람지도는 무엇을 상호 비교하여 제작되는가?
일반적으로 홍수범람지도는 1차원 혹은 2차원 수치모형으로 모의된 홍수위와 수치표고모델 (digital elevation model: DEM)을 상호 비교하여 제작된다. 따라서, 홍수위 모델링과 함께 수치표고모델(DEM)은 홍수범람지도 작성 시 범람구역 예측 정확도에 직접적인 영향을 미치는 주요 인자이다(Hong and Sim, 2009; Jung et al.
참고문헌 (13)
Choi, C., Choi, Y., Kim, K., 2013, Analysis of flood inundation using LiDAR and LISFLOOD model, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, 16(4), 1-15.
Goff, J. A., Nordfjord, S., 2004, Interpolation of fluvial morphology using channel oriented coordinate transformation: A case study from the New Jersey shelf, Mathematical Geology, 36(6), 643-658.
Hong, S., Sim, M., 2009, HEC-Geo RAS also flood flooding using the create practical application method, Water for Future.
Jung, Y., Kim, D., Kim, D., Kim, M., Lee, S., 2014, Simplified flood inundation mapping based on flood elevation-Discharge rating curves using satellite images in gauged watersheds, Water, 6(5), 1280-1299.
Jung, Y., Yeo, K., Kim, S., Lee, S., 2013, The effect of uncertainty in roughness and discharge on flood inundation mapping, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 33(3), 937-945.
Kim, K., Shin, H., Jung, S., Kim, J., 2012, Comparative study on flood inundation according to river terrain modification, Journal of KWRA Conference, 251-255.
Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT), 2014, Development of flood hazard mapping method for local streams.
Lee, J., 2014, The Case study for prevention of inundation on small and mid-sized stream, Journal of the Korean Association of Professional Geographers, 48(2), 177-202.
Lee, J., 2012, Estimation of roughness coefficient using a representative grain diameter for han stream in Jeju Island, Jeju National University Graduate school.
Ministry of Land, Infrastructure, and Transport (MOLIT), 2008, Guide for Producing the Flood Hazard Map.
Ministry of Public Safety and Security (MPSS), 2015, Guideline for Mapping Disaster Map.
National Geographic Information Institute (NGII), 2012, Offer Free Map Data (DEM).
Park, K., Kim, S., 2011, A study of make inundation map using satellite photograph at urban river, Journal of the Environmental Science International, 20(2), 199-205.
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