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위성영상 자료를 이용한 고해상도 가뭄지수 산정모형 개발
Generation of Fine Resolution Drought Index using Satellite Data 원문보기

한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집, 2009 May 21, 2009년, pp.1607 - 1611  

김광섭 (경북대학교 공과대학 건축토목공학부 토목공학전공) ,  박한균 (경북대학교 공과대학 건축토목공학부 토목공학전공)

초록
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본 연구에서는 현재 가뭄을 관측하는데 주로 이용되는 가뭄지수의 단점 등을 보완하고자 가뭄에 관련되는 식생지수를 연계한 공간해상도 높은 가뭄지수를 제시하였다. 우리나라 지상관측을 통해 산출할 수 있는 PDSI(Palmer Drought Severity Index)와 SPI(Standardized Precipitation Index) 같은 가뭄지수는 기온과 강수량 등의 기후자료만을 이용하여 산정할 수 있다. 두 가뭄지수는 관측하기 어려운 가뭄의 시기와 심도를 설명하고자 여러 연구를 통해 개발한 지수이지만, 두 가뭄지수만을 가지고 우리나라 전역의 가뭄의 공간적인 분포를 설명하기에는 다소 무리가 있다. PDSI의 경우 강수량과 기온과 토양의 수분함유량을 가지고 산출하는데, 전 관측지점을 똑같은 토양수분함유량을 가지고 있다는 가정 하에 계산되고, SPI의 경우 강수량만을 이용하여 산정한다. PDSI의 경우 과거의 가뭄의 정도를 판단하는데 매우유용하다고 알려져 있다. 하지만, 현재의 가뭄정도를 나타내는 데는 문제를 가지고 있고, SPI의 경우는 누적강수량을 가지고 시간단위로 계산한다는 점에서 다양한 가뭄의 정도를 예측할 수 있지만, 입력 자료로 강수량만 들어간다는 점에서 약점을 가진다. 이런 기후지수만을 이용한 가뭄정보 생산이 공간정보를 구현하는데 한계를 가지는 문제점을 개선하고자 가뭄에 직간접적으로 관련이 있는 보다 세밀한 공간정보를 가진 식생, 토지이용, 고도 등의 자료와 기후정보로부터 산정된 가뭄지수간의 관계를 분석하였다. 나아가 기존의 기후지수보다 고해상도를 가진 위성의 정규식생지수(NDVI; Normalized Difference Vegetation Index)와 같은 식생지수를 이용하여 기존보다 더 향상된 해상도의 가뭄지수를 산정하고자 하였다. 우리나라 지상관측소 76개 지점 중에 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 정규식생지수 자료와의 관계를 분석하고자 자료의 보유기간이 짧은 지점과 섬지점 등을 제외한 57개 지점을 선정하고, 연구기간동안의 강수량과 기온자료를 이용하여 PDSI와 SPI를 산출하였다. PDSI와 SPI자료를 고해상도 가뭄지수 산정의 기본 변수로 사용하기 위하여 역거리가중평균법을 이용한 연구기간동안의 한반도 지역 PDSI와 SPI 가뭄지수 지도를 생산하였다. 각각의 가뭄지수와 식생 상태를 나타내는 NDVI와의 상관특성과 계절 변화에 따른 변화특성을 분석하고, CART(Classification and Regression Trees) 알고리즘을 이용하여, 지상 자료만을 사용한 가뭄지수가 가지는 시공간적 변화 특성 제시에 대한 문제점을 개선한 보다 해상도가 높은 조합가뭄지수를 제시하였다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 그림 5에서 알 수 있듯이 2001년 봄 가뭄을 다른 월에 비해 선명하게 나타나는 걸 알 수 있다. CART 알고리즘을 이용하기 위해 결정변수에 나머지 입력 자료의 표준화 시킨 후 평균값을 넣은 결과 세 가지 변수의 영향을 반영한 결과를 보여주었다.
  • Mckee 등(1995) 1, 3, 5, 12개월과 같은 특정한 시간단위를 설정하고, 각 시간 단위별로 강수량의 부족량을 이용하여, 가뭄에 미치는 영향을 파악하고자 이 가뭄지수를 개발하였다. 표준강수지수는 사용자의 요구에 따라 다양한 시간단위로 계산이 가능한데, 짧은 시간단위의 SPI는 농업적 가뭄을 모니터링을 실시하는데 유용하며, 긴 시간단위의 SPI는 수리학적 가뭄을 모니터링을 실시하는데 유용하게 쓰인다.
  • 간단한 물수지에 대한 공급수요모델을 이용하여 계산되며, 사용되는 기후인자는 과거의 강수량과 기온 자료이다. Thornthwaite의 수분수지방법을 이용하여 기후학적으로 필요한 강수량과 실제로 측정된 강수량의 차이를 이용하며, 여기에 지역적인 특성을 고려하여 시공간적인 비교가 가능한 가뭄지수로 개발하였다. 그림 3은 우리나라의 평균 PDSI와 유역별 평균 PDSI 시계열을 나타낸다.
  • 기존의 가뭄지수인 파머가뭄지수와 표준강수지수를 이용하여 각각의 가뭄지수가 가지고 있던 장, 단점을 조합하고, 식생을 표현하는 정규화식생지수와의 상관성을 분석 Decision Tree 방법 중에 일반적으로 많이 사용이 되는 CART 알고리즘을 이용하여, 식생이 반영된 새로운 조합 가뭄지수를 산출하였다. 이를 우리나라의 대표적인 2001년 봄 가뭄을 나타낸 결과 가뭄 지수 보다 가뭄의 시공간 변화 양상을 잘 표현하는 결과를 나타내었다.
  • 우리나라는 4계절이 뚜렷한 특징을 가지고 있어 계절에 따른 가뭄의 영향을 판단하기 위하여 봄, 여름, 가을, 겨울로 나누어서 실시하고, 설명변수로는 장기간 가뭄을 잘 나타내는 PDSI, 단기간 가뭄을 잘 나타낸다고 알려진 3개월 단위의 SPI, 그리고 식생의 상태를 표현하는 NDVI 3가지의 변수를 선택하였다. 그림 4는 조합가뭄지수의 계산과정을 나타내는 개념도이다.

대상 데이터

  • 1 사이의 값을 가지며, 물이나 비 식생지역에서는 0보다 작은 음의 값을 가진다. MODIS의 모든 영상은 미국 NASA에서 제공하는 자료를 이용하였으며, 자료의 기간은 2000년 2월부터 2008년 12월까지이며, 관측주기는 1개월, 해상도는 1km 자료이다.
  • 본 연구에서 사용된 지상관측망 자료는 우리나라 개소 기상관측소 중에 자료의 기간이 30년 이상인 관측소와 섬 지역들을 제외한 57개 지점의 기상, 수문 자료를 사용하였으며 선택된 대상지역은 그림 1과 같다.
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