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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 집수구역의 보다 효율적 분할을 위해 집수구역 자동분할 알고리듬을 설계하고 하천망분석도를 활용한 집수구역 자동 분할 모듈을 개발하였다. 일반적으로 집수구역의 분할은 인문학적, 지형학적 요건을 고려하여 분할되어야 하나 수질사고의 신속한 대응을 위해서는 자동분할을 이용한 빠른 집수구역의 분할이 가능하도록 개발하였다.
- Index Grid에 저장된 집수구역은 순서가 정의되지 않고 물이 모이는 지점만을 나타내고 있는 배열이므로 경계선을 추출할 수 없다. 따라서 Index Grid에 저장된 집수구역 지점을 이용하여 경계선을 추출하는 알고리듬을 개발하여 집수구역을 분할하기 위한 경계선을 이루는 지점인 집수구역 분할 경계점을 추출하도록 하였다. 분할 경계점 추출을 위해 Index Grid와 동일한 크기를 가지는 세 번째 2차원 배열인 Index Line Grid 를 생성하고 Index Grid와 동일하게 흐름방향 도의 방향 값이 없는 지점은‘-1’값을 입력하고 다른 지점은‘0’값을 입력하여 초기화한다.
- 집수구역 분할 모듈로 집수구역을 분할하기 위해 남한강 양평군 양평읍 오빈리 인근의 하천 망분석도 집수구역에 시범 적용해 보았다. 시범 적용 대상 집수구역은 하천망분석도에서 측정소를 기반으로 집수구역을 분할한 집수구역으로, 집수구역 분할 모듈의 결과를 비교하기 용이하여 시범지역으로 선택하였다.
- 본 연구에서는 집수구역 분할을 위한 알고리듬을 개발하고 집수구역 자동 분할 모듈을 개발 하여 신속한 집수구역 분할 수행을 가능하게 하였다. 개발된 집수구역 분할 모듈을 이용하여 하천망흐름도의 집수구역을 분할하였으며, 그 결과를 현재 활용중인 집수구역과 비교하여 검증하였다.
제안 방법
- 일반적으로 집수구역의 분할은 인문학적, 지형학적 요건을 고려하여 분할되어야 하나 수질사고의 신속한 대응을 위해서는 자동분할을 이용한 빠른 집수구역의 분할이 가능하도록 개발하였다. 집수구역 자동분할 모듈을 개발하기에 앞서 집수구역 분할에 필요한 자료를 수집하였으며, 이를 이용한 집수구역 분할 알고리즘 설계를 수행하였다. 본 연구의 설계안을 바탕으로 널리 사용되고 있는 공간 자료 분석 프로그램인 ArcGIS Add-In 기반의 모듈을 개발하고 집수구역 분할을 수행하였으며, 그 결과를 분석 및 고찰하였다.
- 집수구역 자동분할 모듈을 개발하기에 앞서 집수구역 분할에 필요한 자료를 수집하였으며, 이를 이용한 집수구역 분할 알고리즘 설계를 수행하였다. 본 연구의 설계안을 바탕으로 널리 사용되고 있는 공간 자료 분석 프로그램인 ArcGIS Add-In 기반의 모듈을 개발하고 집수구역 분할을 수행하였으며, 그 결과를 분석 및 고찰하였다.
- 그림 1은 각 방향 값이 의미하고 있는 물의 흐름방향을 나타 내며, 그림 2는 수치표고모델을 이용하여 남한강 유역의 흐름방향도를 제작한 예시이다. 집수구역 자동 분할은 흐름방향도를 이용하여 수행하였다.
- 물이 모이는 지점을 검색하기위한 방법으로 3×3 윈도우 검색 방법을 사용하였으며, 검색 지점이 변경될 때마다 윈도우의 중심 좌표를 설정하여 지점 탐색을 수행하였다.
- 물 흐름방향은 흐름방향도에서 정의된 값에 따른 방향을 사용하였으며, 3×3 윈도우 내 각 지점의 흐름방향이 중앙을 가리킬 경우에만 물이 모이는 지점으로 판단하도록 하였다.
- 물이 모이는 지점이라고 확인된 좌표를 다시 3×3 윈도우의 중앙 지점으로 정의하여 재귀 검색 수행하여 집수구역을 검색하도록 하였다.
- 흐름방향도는 격자구조의 공간자료이며, 물이 모이는 지점이라는 것을 판단하기 위해 흐름 방향 값이 필요할 때마다 흐름방향도에서 값을 읽어오는 것은 자료 접근 시간 및 대용량 격자자료 구조를 고려하였을 때 효율적인 방법이 아니다. 이를 해결하기 위해 본 연구의 집수구역 분할 알고리듬은 3개의 2차원 배열을 정의하여 사용하였다. 첫 번째 배열은 하천의 흐름방향을 입력한 2차원 배열이며, 두 번째 배열은 물이 모이는 지점을 확인하기 위한 2차원 배열, 마지막 배열은 분할을 위한 경계선을 표시하기 위한 2차원 배열이다.
- 물이 모이는 지점이라고 확인된 좌표를 다시 3×3 윈도우의 중앙 지점으로 정의하여 재귀 검색 수행하여 집수구역을 검색하도록 하였다. 집수구역 지점을 검색하기 위한 자료구조로 Queue를 사용하였다. Queue는 자료가 입력된 순서대로 자료를 반환하는 FIFO(First In First Out)구조를 가진 자료구조이다.
- 집수구역 검색은 3×3 윈도우를 이용한 반복 검색 과정을 수행하게 되며, Queue에 입력된 지점을 하나씩 꺼내어 3×3 윈도우의 중심좌표로 설정하고 집수구역을 검색한다. Queue에 더이상 검색할 지점이 남아있지 않을 때 검색을 종료하도록 하였다. 집수구역 검색의 반복 과정은 Queue에서 검색 지점을 꺼내온 후 3×3 윈도 우의 좌표를 설정하는 것에서 시작된다.
- 분할 경계점 추출을 위해 Index Grid와 동일한 크기를 가지는 세 번째 2차원 배열인 Index Line Grid 를 생성하고 Index Grid와 동일하게 흐름방향 도의 방향 값이 없는 지점은‘-1’값을 입력하고 다른 지점은‘0’값을 입력하여 초기화한다.
- 집수 구역 검색은 3×3 윈도우를 이용한 반복 과정을 수행하게 되며, Queue에 더 이상 검색할 지점이 없을 때 반복을 종료하도록 하였다.
- 집수구역 검색은 3×3 윈도우를 이용한 반복 과정을 수행하게 되며, Queue에 더이상 검색할 지점이 없을 때 반복을 종료하도록 하였다.
- Index Grid에서‘3’값을 가지는 지점을 검색의 시작 지점으로 입력하였으며 Index Grid의 값을 활용하여 경계선 지점을 검색하였다.
- 집수구역 분할 알고리듬을 검증하기 위해 집수 구역 분할 모듈을 개발하였다. 집수구역 분할 모듈은 사용자의 편의 및 활용성을 고려하여 널리 사용되고 있는 지도 편집 프로그램의 ArcGIS의 Add-in 모듈로 개발되었으며 Net framework 기반의 C# 언어로 개발되었다.
- 집수구역의 분할은 하천망분석도의 주제도로 포함되어 있는 흐름방향도를 사용하며, 분할 시작 지점을 입력하기 위한 데이터 레이어와 분할할 집수구역 및 해당 집수구역의 흐름방향도를 입력하도록 하였다. 분할이 완료된 집수구역은 ESRI사의 ArcGIS에 사용되는 표준 포맷 파일 이며 지리현상에 대한 기하학적 위치와 속성을 저장할 수 있는 SHP 파일로 저장하도록 하였다.
- 집수구역의 분할은 하천망분석도의 주제도로 포함되어 있는 흐름방향도를 사용하며, 분할 시작 지점을 입력하기 위한 데이터 레이어와 분할할 집수구역 및 해당 집수구역의 흐름방향도를 입력하도록 하였다. 분할이 완료된 집수구역은 ESRI사의 ArcGIS에 사용되는 표준 포맷 파일 이며 지리현상에 대한 기하학적 위치와 속성을 저장할 수 있는 SHP 파일로 저장하도록 하였다.
- 흐름방향도는 국토지리 정보원에서 제공하는 수치표고자료를 이용하여 생성되었으며, 흐름방향도의 격자 크기는 30m 이다. 본 연구에서 개발한 알고리듬은 Value Grid, Index Grid 및 Index Line Grid를 활용 하고 있으며 시범지역의 집수구역을 분할한 결과를 확인하였다. Value Grid는 집수구역의 흐름 방향이 입력되어 있으며, 그 결과는 그림 14와 같다.
- 이와 함께 집수구역 자동 분할 결과를 검증하기 위해 분할된 집수구역을 실제 활용되고 있는 집수구역과 비교하였다. 그림 17의 (b)는 집수 구역 자동 분할 모듈을 이용해 분할한 결과와 하천망흐름도의 집수구역의 경계선을 비교한 그림이다.
- 마지막으로 본 연구를 통해 개발된 알고리듬과 ArcHydro를 이용하여 하나의 중권역을 분할하고 그 결과를 비교해 보았다. 표 1은 충주댐 하류 중권역 내의 표준유역을 대상으로 본 연구에서 개발한 모듈 및 ArcHydro로 분할한 집수구 역의 면적과 면적 차이의 비율을 비교한 표이다.
대상 데이터
- 집수구역 분할 모듈로 집수구역을 분할하기 위해 남한강 양평군 양평읍 오빈리 인근의 하천 망분석도 집수구역에 시범 적용해 보았다. 시범 적용 대상 집수구역은 하천망분석도에서 측정소를 기반으로 집수구역을 분할한 집수구역으로, 집수구역 분할 모듈의 결과를 비교하기 용이하여 시범지역으로 선택하였다.
- 그림 12와 그림 13은 시범지역의 위성사진과 흐름방향도를 나타낸다. 흐름방향도는 국토지리 정보원에서 제공하는 수치표고자료를 이용하여 생성되었으며, 흐름방향도의 격자 크기는 30m 이다. 본 연구에서 개발한 알고리듬은 Value Grid, Index Grid 및 Index Line Grid를 활용 하고 있으며 시범지역의 집수구역을 분할한 결과를 확인하였다.
데이터처리
- 강 주변의 논 지역의 평지 지형을 제외한 지역의 경계선이 대부분 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 경계선을 부드럽게 표현하기 위해 집수구역 분할 경계선에 Smoothing 기법을 적용하여 기존의 집수구역 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 집수구역 분할을 위한 알고리듬을 개발하고 집수구역 자동 분할 모듈을 개발 하여 신속한 집수구역 분할 수행을 가능하게 하였다. 개발된 집수구역 분할 모듈을 이용하여 하천망흐름도의 집수구역을 분할하였으며, 그 결과를 현재 활용중인 집수구역과 비교하여 검증하였다.
이론/모형
- 집수구역은 비가 내렸을 때 빗방울이 모여 흘러드는 지역을 의미하며, 지형의 영향을 가장 크게 받는다. 집수구역을 분할하기 위해서 지형을 모델링하여 형상을 나타내는 공간자료의 활용이 필수적이며 본 연구에서는 국토지리정보원에서 제공하는 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 활용하였다. 수치표고모델이란, 지형의 고도 값을 수치로 저장함으로써 지형의 형상을 나타내는 자료이다.
성능/효과
- 집수구역으로 선택된 지점의 값이‘2’로 입력된 것을 확인할 수 있었다. 집수구역이 정확히 추출되었는지 확인하기 위해 Value Grid와 비교 확인하였으며, 잘못된 물의 흐름방향이 적용된 지점이 없음을 확인하였다. 그림 16은 추출한 Index Grid를 이용하여 집수 구역 분할 경계선을 생성하고 집수구역을 분할하여 분할 집수구역 생성을 완료하였다.
- 그림 17의 (a)는 집수구역 분할 경계선 생성 결과이다. 집수구역 분할 모듈의 수행 결과를 통해 집수구역 분할 알고리듬이 수치표고모델의 지형적 높이를 고려하여 정확한 집수구역을 추출하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그림 17의 (b)는 집수 구역 자동 분할 모듈을 이용해 분할한 결과와 하천망흐름도의 집수구역의 경계선을 비교한 그림이다. 강 주변의 논 지역의 평지 지형을 제외한 지역의 경계선이 대부분 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 경계선을 부드럽게 표현하기 위해 집수구역 분할 경계선에 Smoothing 기법을 적용하여 기존의 집수구역 결과와 비교하였다.
- 그림 18의 (b)는 Smoothing 기법이 적용된 경계선과 실제 집수구역을 비교한 결과이며 그림 17의 결과보다 보다 정확한 경계를 나타내고 있음을 확인하였다. 그림 17과 그림 18의 결과를 통해 본 연구의 집수구역 분할 알고리듬과 기존 집수 구역 경계선을 비교하였으며 기존 집수구역의 경계선을 잘 나타내고 있음을 확인하였다.
- 표 1은 충주댐 하류 중권역 내의 표준유역을 대상으로 본 연구에서 개발한 모듈 및 ArcHydro로 분할한 집수구 역의 면적과 면적 차이의 비율을 비교한 표이다. 표준유역의 면적을 기준으로 분할된 집수구역 면적을 비교하였을 때 본 연구의 알고리듬이 1% 이하의 면적 차이를 나타내고 있으며, 논, 비행장등 평지가 포함된 지역에서도 큰 오차 없이 집수 구역을 분할하고 있음을 확인하였다.
- 집수구역 분할 모듈로 집수구역을 추출하기 위해 개발한 집수구역 분할 결과 수치표고자료 기반의 흐름방향도를 활용한 집수구역 분할이 양호하게 이루어지는 것을 확인하였다. 특히 산지 등 지형학적 경사의 구분이 명확한 지역은 상대적으로 정확한 집수구역의 분할이 가능하였다.
- 그러나 논, 밭, 도심지역 등 평지 지역이나 배수시설이 정비된 지역의 경우 집수구역의 분할이 이루어지지 않는 경우가 있었다. 이는 도심 지역의 집수구역은 지형학적 요인과 인문 사회학적 요인을 고려하여 분할되어야 하기 때문에 지형학적 요인만을 고려한 국지적인 집수구역 분할은 정확한 집수구역 분할을 수행할 수 없음을 확인하였다. 또한 평지 지형은 흐름방향 도의 방향 값이 명확하게 정의되지 않는 문제로 인하여 집수구역 분할의 오차가 발생됨을 확인하였다.
- 이는 도심 지역의 집수구역은 지형학적 요인과 인문 사회학적 요인을 고려하여 분할되어야 하기 때문에 지형학적 요인만을 고려한 국지적인 집수구역 분할은 정확한 집수구역 분할을 수행할 수 없음을 확인하였다. 또한 평지 지형은 흐름방향 도의 방향 값이 명확하게 정의되지 않는 문제로 인하여 집수구역 분할의 오차가 발생됨을 확인하였다. 이는 현재 사용중인 30m 격자의 수치 표고자료는 지형의 표고를 1m 단위로 저장하기 때문에 표고 차이가 많지 않은 평지에서 흐름 방향을 계산하지 못하여 발생하는 문제이다.
- 그러나 수질사고 지역 탐색 등 집수구역의 확보가 긴급하게 필요할 경우 유사범위의 집수구 역을 신속하게 분할할 수 있어 유용하게 활용될수 있음을 확인하였다. 아울러 정확한 집수구역 분할이 필요할 경우에도 자동 분할한 집수구역을 기반으로 인위적인 판단을 적용하여 정확한 집수구역으로 보정하는 방법을 사용하여 집수구 역의 분할 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 위와 같이 집수구역 분할 모듈의 분할 결과가 현재 활용되고 있는 집수구역과 유사한 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있었으며, 실제 수질오염사고가 발생한 지점이나 사용자의 필요에 의해 분할할 지점을 기준으로 한 집수구역 분할에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 수질사고 지역 탐색 등 집수구역의 확보가 긴급하게 필요할 경우 유사범위의 집수구 역을 신속하게 분할할 수 있어 유용하게 활용될수 있음을 확인하였다. 아울러 정확한 집수구역 분할이 필요할 경우에도 자동 분할한 집수구역을 기반으로 인위적인 판단을 적용하여 정확한 집수구역으로 보정하는 방법을 사용하여 집수구 역의 분할 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 5m DEM 기반의 정밀 수치표고자료를 활용하여 평지지역의 지형학적 오차 요인을 제거할 수 있는 알고리듬의 개발이 이루어지면 보다 정확하고 신속한 집수구역이 가능할 것으로 사료된다. 이와 함께 정밀 수치표고자료의 자료 크기로 인한 계산 시간이 소요되고 있는 점을 고려하여 이를 개선한 알고리듬의 개발도 함께 이루어져야 할 것이다.
- 향후 5m DEM 기반의 정밀 수치표고자료를 활용하여 평지지역의 지형학적 오차 요인을 제거할 수 있는 알고리듬의 개발이 이루어지면 보다 정확하고 신속한 집수구역이 가능할 것으로 사료된다. 이와 함께 정밀 수치표고자료의 자료 크기로 인한 계산 시간이 소요되고 있는 점을 고려하여 이를 개선한 알고리듬의 개발도 함께 이루어져야 할 것이다.
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