[논문]Landsat TM 자료를 이용한 금호강 유역 수문변수 산정

김광섭; 박한균

Landsat TM 자료를 이용한 금호강 유역 수문변수 산정
Estimation of Hydrological Variables of the Gum Ho River Basin Using Landsat TM Data 원문보기

김광섭 (경북대학교 공과대학 건설공학부 토목공학) , 박한균 (경북대학교 공과대학 건설공학부 토목공학)

본 연구에서는 가용 Landsat TM 위성자료를 이용하여 금호강유역의 수문변수를 산정하였다. 대상 유역인 금호강유역은 대구시를 포함한 하천유역으로 도시화로 인한 유역 환경변화가 매우 심한 지역이다. 대상유역의 수문변수의 변화가 유역 생태 및 수문순환구조에 미치는 영향이 크므로 위성자료를 활용한 광역에 대한 수문변수 산정과 시공간변화 특성의 자연적요인은 물론 인위적인 요인을 분석하는 것은 매우 중요하다. 가용한 Landsat자료는 30-120m의 뛰어난 공간분해능과 다양한 관측 밴드를 가지고 있어, 수문변수 산정 및 유역 환경변화를 파악하기에 적합한 자료이다. 본 연구에서는 1985, 1998, 1999년, 2001년 Landsat TM자료를 이용하여 대상지역에 대한 기하학적 보정 등 전처리과정을 거쳐 정규화 식생지수(NDVI; Normalized Difference Vegetation Index)와 이와 연계한 엽면적지수(LAI; Leaf Area Index)를 산정하였으며 토지피복변화를 분석하였다. Landsat자료를 이용한 광역의 토지피복변화와 수문변수변화 분석을 통하여, 위성관측기법 이용한 유역 수문변수 변화특성 도출 가능성을 제시하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 가용 Landsat TM 인공위성 영상자료를 이용하여 유역의 수문변수를 산정하고자 연구 대상을 금호강 유역으로 선정하였다. 금호강유역은 대구시와 경상북도를 포함하는 유역으로 거주인구는 1,985,263명이고, 총 면적이 2,092.

제안 방법

위성영상의 다양한 밴드를 이용하여 대상지역의 식생의 변화를 분석하는 연구는 다양하게 이루어졌다. Landsat자료를 이용하여 NDVI와 LAI를 구하여 토지피복의 변화를 판단하고, 다양한 밴드를 비교 분석하여 적합한 밴드를 선정하고, 관측 값과 위성자료를 통해 획득한 값의 상황분석을 통해 적절성을 검증하였다 (N. Sasaki et al, 2001; 이홍로 등, 2005). 위성영상을 이용하여 기후변화에 따라 식생변화의 경향성을 연구하고, LAI의 다양한 변화를 이용하여 농업지역에 적용한 연구도 진행되었다(M.
González-sanpedro et al, 2008). 다양하게 이루어진 연구를 바탕으로 본 연구에서는 변화가 예상되는 금호강유역을 대상으로 Landsat 자료를 이용하여 NDVI와 LAI를 획득하고 무감독분류법인 K-MEANS법을 이용하여 토지이용을 분류하고 분석하여 토지피복도와의 비교분석을 통해 Landsat TM자료의 사용적절성을 검증하였다.
이런 과정을 반복하여 중심 값이 변하지 않을 때가 최종 집단으로 선택된다. 본 연구에서는 집단의 수를 10개로 하고 반복 횟수는 5회로 실시하였다.
이는 K-MEANS 방법으로 분류를 할 때 반복 횟수를 적게 하여서 집단의 분류가 더욱 세밀하게 이루어지지 않았기 때문이라고 사료된다. 이에 반복횟수를 기존의 5회에서 50회로 증가시켜 다시 분류를 실시하였다. 그 결과는 아래 그림과 같이 더욱 더 세밀하게 분류된 집단으로 85년도 토지피복도와 비슷한 형상을 가진다.
05㎢ 증가하였다. 직접 수치상의 변화를 계산하였고 그 변화 양상은 위성자료의 분류 영상을 통해 알 수 있었다.
Landsat 위성영상자료를 K-평균 군집화 방법을 이용하여 분류하였다. 집단 수는 10개로 반복횟수는 5회로 실시하였다. 아래 그림은 비슷한 시기의 WAMIS 에서 제공하는 토지피복도(1985, 2000년)와 K-평균 군집화 방법으로 분류한 영상자료(1985, 2001년)를 비교한 것으로 붉은 색은 시가지를 파란색은 수역을 노란색은 논과 밭을 가리키며 초록색은 산림과 초지를 가리킨다.

대상 데이터

대구광역시를 포함하고 있는 유역으로 도시화로 인한 금호강 유역의 환경에 미치는 변화가 매우 심한 지역이다. 사용된 인공위성 자료는 Landsat 위성자료로서 관측년도는 1985, 1988, 1999, 2001년이다. 해상도는 30m이고, 표 1은 본 연구에 사용한 인공위성 영상자료를 정리한 것이다.

이론/모형

Landsat 위성영상자료를 K-평균 군집화 방법을 이용하여 분류하였다. 집단 수는 10개로 반복횟수는 5회로 실시하였다.
해상도는 30m이고, 표 1은 본 연구에 사용한 인공위성 영상자료를 정리한 것이다. 영상의 처리과정은 영상처리프로그램인 ENVI 4.3을 이용하였다.
위성영상에 나타난 다양한 화소들 중에 유사성이 높은 대상 집단을 분류하고, 각각의 집단의 상이성을 규명하는 통계분석방법으로 본 연구에서는 널리 이용되고 있는 무감독 분류방법 중 하나인 K-평균 군집화 방법을 이용하였다. 이 방법의 과정은 초기에 집단 수 k를 결정하고, 각 집단의 중심 값을 무작위로 정한 다음에 각각의 화소들은 가장 가까운 중심 값에 해당되는 군집으로 선택된다.

성능/효과

Landsat 자료를 활용한 금호강 유역의 NDVI와 LAI를 산출을 통해 매우 상세한 식생관련 공간분포 분석 가능성을 확인할 수 있었으며 무감독 분류기법의 하나인 K-평균 군집화방법을 적용하여 Landsat자료를 분류하고 이를 WAMIS에서 제공하는 토지피복과의 비교 분석한 결과, 시가지, 논과 밭, 산림과 초지, 수역의 각 토지 피복유형의 변화 양상을 알 수 있었으며, 군집계산 반복횟수의 증가를 통해 분류의 정확성이 개선되었으며 토지피복변화를 판단하는데 적절한 방법이 판단된다. 이러한 위성영상자료와 통계기법을 활용하여 광역에 대한 도시성장 및 토지이용변화에 대한 상세 분석을 가능케 하여 국토관리에 활용될 것으로 판단된다.

후속연구

그 결과는 아래 그림과 같이 더욱 더 세밀하게 분류된 집단으로 85년도 토지피복도와 비슷한 형상을 가진다. 반복횟수가 증가함에 따라 토지분류의 정확성은 더욱 더 높아짐을 보였고 이러한 결과는 도시성장 및 토지이용변화 분석에 활용될 수 있다.
Landsat 자료를 활용한 금호강 유역의 NDVI와 LAI를 산출을 통해 매우 상세한 식생관련 공간분포 분석 가능성을 확인할 수 있었으며 무감독 분류기법의 하나인 K-평균 군집화방법을 적용하여 Landsat자료를 분류하고 이를 WAMIS에서 제공하는 토지피복과의 비교 분석한 결과, 시가지, 논과 밭, 산림과 초지, 수역의 각 토지 피복유형의 변화 양상을 알 수 있었으며, 군집계산 반복횟수의 증가를 통해 분류의 정확성이 개선되었으며 토지피복변화를 판단하는데 적절한 방법이 판단된다. 이러한 위성영상자료와 통계기법을 활용하여 광역에 대한 도시성장 및 토지이용변화에 대한 상세 분석을 가능케 하여 국토관리에 활용될 것으로 판단된다.

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