Landsat 위성영상을 활용한 낙동강 삼각주 연안사주의 면적 시계열 분석
Time Series Analysis of Area of Deltaic Barrier Island in Nakdong River Using Landsat Satellite Image
이슬기
1)
· 양미희2)
· 이창욱3)
Lee, Seulki · Yang, Mihee · Lee, Changwook
Abstract
Nakdong river barrage was affected by artificial interference such as construction of port, industrial complex and estuary barrage. This change in Nadong river lead to environmental changes and affected the ability of barrier islands. Therefore, it is decided that the observation of changes in the Nakdong river estuary is very important. In this paper, the topographic change of the Nakdong river barrage observe based on Landsat TM, ETM+ images from 1984 to 2015. In addition, this study tried to conduct a comparative analysis on the area for change of sandy sediment according to tide level. This results could estimate height and volume about sandy sediment accumulated on the lower sand dune. Also, these results are expected to be the basis for prediction of the changing topography of the sand dune. The area of the average change in region 1,2,3 was calculated as 3,015
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, 167,550
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, 14,596
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. This result is expected to be very useful for the continuous observation for sediment changes of Nakdong river.
Keywords: Nakdong River, Deltaic Barrier Island, Landsat TM, ETM+, Tide Level
초 록
낙동강 하구역은 과거 30여 년 간 하구둑, 산업단지, 항구 등의 건설로 인해 인위적인 영향을 받아왔다. 낙동강 의 이러한 변화는 연안사주의 기능에 영향을 줄 수 있고, 환경적인 변화를 야기하고 있다. 따라서 낙동강 하구의 변화를 관측하는 것은 매우 중요하다고 판단된다. 이에 따라 본 연구에서는 1984년부터 2015년까지 Landsat TM, ETM+ 영상을 기반으로 낙동강 하구의 연안사주의 지형의 면적변화를 관측하고자 한다. 또한, 조위에 따라 현재 존재하고 있는 사주 하부의 사질퇴적물이 나타나는 면적을 분석하고자 한다. 이는 사주 하부에 축적된 사질 퇴적 물의 높이와 양을 추정할 수 있을 것이며, 이러한 결과는 향후 사구의 지형변화를 예측하는데 기반이 될 것으로 기 대된다 . 따라서 본 연구에서는 31년간의 Landsat 영상을 기반으로 국립해양조사원에서 제공한 조위 값을 이용하여 조위에 따른 하구역 지형의 면적변화를 연구하였다. 1지역은 3,015
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, 2지역은 167,550
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, 3지역은 14,596
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만 큼의 평균 면적변화가 나타난 것으로 계산되었다. 이 결과는 낙동강 퇴적물의 지속적인 변화를 관측하는데 매우 유 용할 것으로 판단된다.
핵심어 : 낙동강, 삼각 연안사주, Landsat TM, ETM+, 조위
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography Vol. 34, No. 5, 457-469, 2016
http://dx.doi.org/10.7848/ksgpc.2016.34.5.457
457 ISSN 1598-4850(Print) ISSN 2288-260X(Online) Original article
Received 2016. 03. 22, Revised 2016. 03. 29, Accepted 2016. 09. 21 1) Member, Kangwon National University (E-mail: [email protected])
2) Division of Science Education, Kangwon National University (E-mail: [email protected])
3) Corresponding Author, Member, Division of Science Education, Kangwon National University (E-mail: [email protected])
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://
creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium,
provided the original work is properly cited.
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 34, No. 5, 457-469, 2016
1. 서론
우리나라 최대의 삼각주가 존재하고 있는 낙동강 하구역 은 과거 30여 년간 하구둑, 항구와 같은 인공 구조물의 건설 및 일부 지역의 매립, 인위적인 수로 변경 등과 같은 다양한 원 인에 의해 그 지형이 변화하였다. 낙동강 하구역의 삼각주 지 형은 본류인 낙동강과 주변의 환경조건에 의해 기존의 사주 가 소멸되거나, 새로운 사주가 생성되는 과정이 끊임없이 이 루어지고 있으며, 퇴적작용에 의해 사주의 크기와 모양 또한 지속적으로 변화하고 있다. 특히 1987년 완공된 낙동강 하구 둑은 낙동강 하구의 수문, 지형, 생태 등의 자연환경적인 변화 와 사회경제적 측면에서의 변화를 가져왔을 뿐만 아니라 삼 각주의 지형변화에 막대한 영향을 주었다(Kim, 2005; Jang and Kim, 2006; Lee et al., 2012; Kim et al., 2015; Park et al., 2016). 이처럼 낙동강 하구역은 인위적인 영향뿐만 아니라 자 연적인 영향에 의해서도 끊임없이 변화하고 있다. 자연적인 영 향은 장기적으로는 해수면 상승, 하천의 수위변화, 파랑의 작 용 등이 있으며, 단기적인 영향으로는 조석, 지진, 태풍 등이 있다(Kim, 2005).
낙동강 하구둑에 위치한 연안사주는 희귀 동식물이 서식 하는 자연생태계를 구축하고 있으며, 대표적인 철새 도래지 중 하나로 환경적으로 매우 중요한 가치를 지닌다. 또한, 농경 지, 생태공원 등과 같은 경제적 측면에서의 가치도 충분한 지 역이다 . 이와 같이 환경적, 경제적 측면에서 가치가 있는 사 구는 현재에도 다양한 원인에 의해 지형변화가 계속 나타나 고 있으며, 이러한 지형변화는 연안사주의 기능에 영향을 줄 수 있고, 환경적인 변화를 야기할 수 있다(Kim, 2005). 따라 서 낙동강 하구역에 관한 연구는 장래 하구역 개발에 있어 적 합한 개발방향과 대책을 수립하고, 그 해역의 환경피해를 최 소화시키기 위해서 반드시 필요하다고 판단된다. 지형변화를 연구하는 방법은 현지 지형측량, 항공사진 또는 인공위성 영 상을 이용한 원격탐사 등이 있다. 현지 지형측량의 경우 현장 에 직접 나가서 측량하기 때문에 결과 값이 정확하다는 장점 이 있으나, 과거 측량 자료가 적거나 없다면 장기간의 지형변 화를 관측하기에 매우 부적절하다. 이러한 한계를 보완하기 위하여 항공사진 또는 위성영상을 이용한 원격탐사방법을 적 용한 연구가 활발하게 이루어지고 있다(Na et al., 2003; Kim, 2005; Jung et al., 2013; Xu et al., 2013). 원격탐사는 관측대 상과의 접촉 없이 넓은 범위의 자료를 손쉽게 얻을 수 있으며, 장기간의 영상수집이 가능하기 때문에 지형변화를 연구하기 에 매우 적절하다. 인공위성에 따라 영상을 수집하기 위한 비 용이 각각 다르게 발생하지만, Landsat 위성은 미국 지질조사
소 (USGS(United States Geological Survey))에서 16일을 주 기로 무료로 배포하고 있으며, 약 40년간의 자료를 확보할 수 있기 때문에 장기간동안의 지형 변화를 관측하기에 적합하다 고 판단된다. 또한 Landsat 위성은 7개의 밴드를 탑재하고 있 기 때문에 다양한 파장 영역대에서 분석이 가능하므로 육지 와 바다를 구분해야하는 연안의 원격탐사에 효과적이다. 기 존의 선행연구는 낙동강 하구역의 퇴적환경 또는 하천유량에 관한 연구가 진행되거나(Yoon and Lee, 2008; Lee and Bae, 2011), 지형변화와 이동에 초점을 맞춰 수행되어 왔으나(Kim, 2005; Jung et al., 2013), 하구역의 삼각주 면적을 장기적으 로 관측한 연구는 미비한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 1984년부터 2015년까지 총 31년간 Landsat TM, ETM+ 영상 을 기반으로 낙동강 하구의 연안사주의 지형의 면적변화를 관측하였으며 , 국립해양조사원에서 제공한 조위 값을 이용하 여 조위에 따른 하구역 지형의 면적변화를 연구하였다. 조위 에 따라 현재 존재하고 있는 사주 하부의 사질퇴적물이 나타 나는 면적을 분석함으로써 사주 하부에 축적된 사질 퇴적물 의 높이와 양을 추정할 수 있을 것이며, 이러한 결과는 향후 사구의 지형변화를 예측하는데 기반이 될 것으로 기대된다.
2. 연구지역
연구지역인 낙동강 삼각주는 남북 18 km, 동서 16 km, 면 적 288 km
2에 달하는 우리나라 대표적인 삼각주로서, 대한민 국 최대 규모이다. 낙동강 하구는 낙동강이 운반하는 토사량 이 많고 경사가 완만할 뿐만 아니라 조수간만의 차이가 적기 때문에 운반물질의 퇴적이 활발하게 일어나 삼각주 지형이 발 달하기에 적합한 조건을 갖추고 있다. 삼각주는 하천의 유속 이 느려지면서 퇴적물이 쌓여 강 가운데에 만들어진 섬인 하 중도와 하중도의 전면에 형성된 모래톱인 사주, 하중도와 사 주를 잇는 간석지로 나눌 수 있다(Oh, 1999). 행정구역상으로 는 부산광역시 강서구, 사하구에 걸쳐 위치하고 있다(Fig. 1).
Fig. 1. Location of deltaic barrier islands in the Nakdong river
Time Series Analysis of Area of Deltaic Barrier Island in Nakdong River Using Landsat Satellite Image
459 낙동강 하구역은 하중도인 신호도, 명지도, 을숙도, 사주인
진우도 , 대마등, 장자도, 새등, 백합등, 나무싯등, 도요등으로 구성되어있다 (Yoon et al., 2007). 생성시기에 따라 각 지역을 분류하기도 한다. 을숙도, 명지도, 신호도, 대마등, 진우도는 1916년 이전에 형성된 지역으로 다른 지역과 비교하여 안정적 인 지형이다. 백합등, 장자도는 1970년 이전, 나무싯등과 새등 은 1984년 이전에 형성되었다. 다대등과 도요등은 1990년 이 후에 등장한 사주로서 현재 합성되어 있다. 최근에 생성된 사 주일수록 자연재해 등에 약하기 때문에 형태가 변하거나 다 른 사주와 합성되기 쉽다(Lee and Kim, 2009).
본 연구에서는 해수 위에 드러난 사주와 간석지로, 비교적 과거에 생성되어 지형변화가 거의 없는 하중도의 면적은 제외 하였다 . 각 사주의 지형변화는 개별적으로 일어날 것이라 판 단하여 , 면적을 효과적으로 탐지하기 위해 연구지역을 나누었 다 . 1지역은 진우도, 2지역은 대마등, 장자도, 신자도, 3지역은 을숙도 남단 일부와, 백합등, 나무싯등, 도요등으로, 총 3지역 으로 나누어 연구를 수행하였다(Fig. 2).
3. 연구방법
1) 위성영상
본 연구에서 탐지하고자 하는 낙동강 하구 연안 삼각 사 주섬은 해안지역에 위치하고 있으며, 사주섬은 대부분 모래 나 갯벌로 이루어져있기 때문에 해안선이 두드러지게 나타나 고 , 물과 모래, 갯벌과 같은 사질 퇴적물이 잘 보일 수 있는 밴드의 특성을 정확하게 파악하는 것이 필요하다. 일반적으
로 Landsat TM 영상에서 물과 육지간의 경계를 구분하는데 많이 쓰이는 밴드는 4,5,6번 밴드이다(Na et al., 2003). 특히, Landsat의 밴드 특성정보에 따르면 4번 밴드는 0.76~0.90 μm 의 근적외선영역의 파장이며, 물이 파장을 거의 흡수하여 매 우 어둡게 나타나기 때문에 육지와 물을 분류하기에 용이하 다 . 5번 밴드는 1.55~1.75 μm의 중적외선영역의 파장이며, 주 로 습기에 민감한 대역이므로 식물과 토양수분, 또는 구름과 눈을 구별하기에 적절한 대역이다. 6번 밴드는 10.40~12.50 μ m의 열적외선대역으로 표면 온도를 측정하는데 사용될 수 있으며, 구름이 매우 낮은 온도를 가지는 경향을 이용하 여 토양과 구름을 구분하는데 사용되기도 한다. Landsat 영 상을 기반으로 퇴적물을 관측하기 위하여 분광특성 분석 을 수행한 다양한 연구들이 선행되어왔다(Yoo et al., 2000;
Jang et al., 2002; Ryu et al., 2003) 선행된 연구결과에 따르 면 Landsat 위성자료를 이용하여 퇴적물특성을 관측하기 위 해서는 근적외선과 중적외선 파장대가 효과적으로 나타나며 (Yoo et al., 2000; Jang et al., 2002), 간석지 및 사빈퇴적물과 같은 퇴적물은 4번 밴드에서 특성이 잘 나타나는 것으로 판단 된다 (Jang et al., 2002; Ryu et al., 2003). 연구 지역인 낙동강 하구 사주섬 역시 사질 퇴적물로 구성되어 있으므로 4번 밴 드로 관측하는 것이 적절하다고 판단하였다. 본 연구에서는 1984년부터 2015년까지 총 31년간의 연구기간을 설정하였으 므로 , Landsat 7호 위성이 발사되기 이전인 1985년부터 1999 년까지의 영상은 Landsat 5호의 TM영상을 이용하였고, 2000 년 이후에는 Landsat 7호의 ETM+영상을 이용하였다. 또한, 구름이 덮인 정도를 나타내는 운량(Cloud Cover) 값이 20%
를 초과하는 경우 연구지역이 구름에 의해 탐지되지 않는 경 우가 많았기 때문에, 본 연구에서는 운량 값이 20%이하로 기 준하여 영상을 수집하였다(Table 1).
2) 영상처리
Landsat 영상자료는 WRS(Worldwide Reference System) 라고 일컬어지는 글로벌 표기 시스템을 적용하고 있다. 본 연 구에서는 WRS path, row가 114, 036의 자료를 이용하여 낙동 강 삼각주 연안사주를 관측하였다. Landsat 위성영상의 대기 보정을 수행하기 위해서는 복사 휘도를 이용하여 보정을 수 행하기 때문에 영상의 화소 값(Digital Number)을 복사휘도 (Radiance)로 계산해 주는 과정이 필요하다.
×
(1) Where:
×
: Spectral Radiance,
×
: Spectral radiance
Fig. 2. Division of study area
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 34, No. 5, 457-469, 2016
Table 1. Landsat 5 TM, 7 ETM+ images(path/row = 114/036) and scene center time used in this study
No. Satellite Date Time(UTC) No. Satellite Date Time(UTC)
1 LT5 1984-07-16 01:28:12 39 LT5 1995-04-10 01:08:39
2 LT5 1984-09-18 01:29:35 40 LT5 1995-08-16 01:02:52
3 LT5 1984-11-05 01:29:26 41 LT5 1995-11-04 00:59:00
4 LT5 1984-11-21 01:29:21 42 LT5 1996-10-05 01:18:16
5 LT5 1985-04-30 01:29:40 43 LT5 1997-01-25 01:23:37
6 LT5 1985-06-01 01:29:36 44 LT5 1997-06-18 01:29:00
7 LT5 1985-07-19 01:29:23 45 LT5 1998-03-01 01:35:51
8 LT5 1985-09-05 01:28:54 46 LT5 1998-09-09 01:38:11
9 LT5 1985-10-23 01:28:21 47 LT5 1998-11-12 01:38:30
10 LT5 1985-12-10 01:27:32 48 LE7 2000-12-27 01:49:56
11 LT5 1986-04-01 01:25:13 49 LE7 2001-08-24 01:48:16
12 LT5 1986-08-23 01:20:50 50 LE7 2001-12-30 01:48:06
13 LT5 1986-09-24 01:19:46 51 LE7 2002-03-20 01:48:14
14 LT5 1987-03-03 01:20:53 52 LE7 2002-04-05 01:48:16
15 LT5 1987-04-04 01:22:03 53 LE7 2003-02-03 01:48:04
16 LT5 1987-05-06 01:23:02 54 LE7 2003-12-20 01:48:19
17 LT5 1987-09-27 01:26:35 55 LE7 2004-06-13 01:48:31
18 LT5 1988-02-02 01:28:53 56 LE7 2004-12-06 01:48:38
19 LT4 1988-12-26 01:30:05 57 LE7 2005-05-15 01:49:06
20 LT5 1989-02-04 01:29:31 58 LE7 2005-12-25 01:49:10
21 LT5 1989-03-08 01:29:04 59 LE7 2006-06-19 01:49:28
22 LT5 1989-04-25 01:28:20 60 LE7 2006-12-12 01:49:38
23 LT5 1989-08-15 01:26:11 61 LE7 2007-01-29 01:49:48
24 LT5 1989-08-31 01:25:52 62 LE7 2007-08-25 01:49:27
25 LT5 1989-10-02 01:25:10 63 LE7 2008-07-10 01:48:57
26 LT5 1989-12-05 01:23:14 64 LE7 2008-12-01 01:48:50
27 LT5 1990-01-06 01:22:11 65 LE7 2009-07-11 01:49:55
28 LT5 1990-11-22 01:18:57 66 LE7 2009-10-17 01:49:39
29 LT5 1991-01-09 01:19:31 67 LE7 2010-09-18 01:51:46
30 LT5 1991-02-26 01:20:31 68 LE7 2010-12-23 01:52:33
31 LT5 1991-03-14 01:20:50 69 LE7 2011-08-04 01:52:56
32 LT5 1992-10-26 01:20:53 70 LE7 2012-05-18 01:54:12
33 LT5 1992-11-11 01:20:33 71 LE7 2012-12-12 01:55:32
34 LT5 1993-06-07 01:22:01 72 LE7 2013-04-03 01:55:32
35 LT5 1994-02-02 01:20:41 73 LE7 2013-11-13 01:55:40
36 LT5 1994-05-09 01:19:06 74 LE7 2014-07-27 01:56:28
37 LT5 1994-07-12 01:17:44 75 LE7 2014-12-18 01:58:00
38 LT5 1994-12-19 01:13:00 76 LE7 2015-04-25 01:58:45
Time Series Analysis of Area of Deltaic Barrier Island in Nakdong River Using Landsat Satellite Image
461 that is scaled to QCALMAX,
×
: Spectral radiance that is scaled to QCALMIN,
×
: Maximum quantized calibrated pixel in DN, : Minimum quantized calibrated pixel in DN, and
×
: Quantized calibrated pixel value in DN
여기서,
×
는 복사휘도 값이고,
×
은 화소 값,
×
는 보정 화소의 최대 값, 은 보정 화 소의 최소 값,
×
는 에 해당하는 휘도 값,
×
은 에 해당하는 휘도 값을 의미한다. 본 연구에서는 보정된 복사 휘도 값을 계산하고, 대기에 의해 나 타나는 왜곡을 제거하기 위하여 COST 모델을 MATLAB 기반으로 구현하여 대기보정을 수행하였다(Chander et al., 2009; Cho et al., 2013).
Landsat 7 ETM+ 위성의 경우 2003년 5월 주사선교정기 (SLC(Scan Line Corrector))의 작동이 멈추어 영상의 일부 화소가 손실되어 데이터가 누락된 SLC-off 영상이 존재한다 (Storey et al., 2005; Cho et al., 2013). 이러한 데이터의 차이 를 보정하기 위해 다양한 보정 방법들이 개발되었으며, 본 연 구에서도 SLC-off 현상이 나타난 기간이 포함되었기 때문에, SLC-off를 보정하는 것이 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 2차원 기반 복원알고리즘의 단점을 보완하여 개량한 알고리 즘을 적용하여 SLC-off 문제를 해결하였다(Chen et al., 2011;
Cho et al., 2013). 2차원 보간 기법은 시간적인 측면에서 효율 적이며 기준영상이 아닌 원 영상을 사용하는 방법이므로, 변 화가 발생하는 지표를 반영할 수 있다는 장점이 있으나, 복 원 정확도가 다소 떨어질 수 있다는 단점이 있다. 본 연구에 서 적용한 보간 기법은 SLC-off 영상의 Y축을 기반으로 1차 원 보간을 수행한 후, 2차원 보간을 수행하여 2차원 보간의 단점이었던 복원 정확도를 향상시켰다(Cho et al., 2013). 따라 서 다량의 영상을 빠르게 처리할 수 있고, 지표의 변화를 반 영하기에 적합하다고 판단되어 개량된 보간 알고리즘을 기반 으로 영상을 복원하였다(Cho et al., 2013). 위성영상의 분류 는 영상을 구성하고 있는 화소들을 비슷한 분광특성을 갖는 것끼리 집단화시켜주는 방법으로, 위성영상의 분류법에는 감 독분류와 무감독분류가 있다. 감독분류법은 영상에서 분류 하고자 하는 지역의 위치, 혹은 분광특성을 알고 있을 때 사 용하는 방법이다. 무감독분류법은 사전정보가 없는 상태에 서 영상을 구성하는 화소 값의 공간적, 분광특성만을 고려하 여 알고리즘을 이용하여 분류하는 방법으로 선정과정이 필요 하지 않다(Jeon and Kim, 2003). Landsat 위성영상을 기반으 로 무감독 분류를 수행하여 지표피복분류를 산출하는 연구
는 국내에서도 다양한 방면에서 지속적으로 수행되어 왔다.
Choi et al.(2014)은 Landsat 8 위성영상을 이용하여 K-mean 알고리즘 기반의 무감독분류를 통한 토지피복지도를 생성하 였으며 , Lee et al.(2015)은 ISODATA 알고리즘을 적용하여 landsat 영상에 대하여 무감독 분류를 수행하여 토지피복도 에 관한 연구를 수행한 바 있다. 본 연구에서는 무감독 분류 의 대표적인 방법 중 하나인 ISODATA 알고리즘을 적용하였 으며 , 무감독 분류를 통해 생성된 클래스가 토지피복도 내에 서 중복될 수 있으므로, 분류하고자하는 토지피복도 클래스 의 2배 이상을 무감독 분류로 산출하였다(Choi et al., 2014).
이에 따라 본 연구에서는 물과 사질토양의 분류만이 목적으 로 하였기 때문에, 큰 범위에서 물, 사구섬 지역으로 2개의 클 래스를 생성하고자 ISODATA 알고리즘을 적용하였고, 무감 독분류에 의해 분류된 낙동강 하구역 연안사주는 GIS기법을 기반으로 면적을 계산하였다.
3) 조위 산출
연구지역은 연안에 위치하고 있기 때문에 조위에 따라 해수 면 위로 드러나는 사주의 면적이 달라진다. 따라서 조위를 고 려하지 않은 상태에서 연안사주의 면적변화를 관측하는 것은 심각한 오차를 포함한 연구결과로 신뢰도측면에서 반드시 고 려해야할 사항이다. 이에 따라 본 연구에서는 국립해양조사 원에서 제공하는 조위자료를 이용하여 수집된 영상의 조위 를 계산하였다. 그러나 연구지역인 낙동강에 설치된 관측소 가 없기 때문에 조위자료가 제공되지 않는다. 따라서 인근 지 역인 부산조위관측소의 조위자료를 기준으로 연구를 수행하 였다 . 국립해양조사원에서 제공되는 조위자료는 인근 조위관 측소의 자료이므로, 조위관측소와 연구지역의 거리차이에 따 른 조위 자료의 보정이 필요하다. 따라서 낙동강 주변의 조위 를 계산할 수 있는 보정과정을 수행하기 위해 국립해양조사원 에서 제공한 조석표를 사용하였다(Table 2).
조위보정을 수행하기 위해서는 표준항의 조위 값이 필 요하며 , 국립해양조사원에서는 부산 조위관측소에서 관측 한 조위에 대하여 1956년부터 현재까지 1시간 간격의 자료 를 배포하고 있다(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency). 과거 자료에 대하여 한 시간 간격의 자료를 수집 할 수 있기 때문에 관측시간과의 오차가 발생한다. 이에 따 라 본 연구에서는 Landsat 영상의 관측시간을 기반으로 Eq.
(2)와 같이 부산항에서의 시간차에 따른 조위보정을 수행하 였다 (Table 1).
×
×
×
(2)
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 34, No. 5, 457-469, 2016
where:
×
×
×
: Standard port Tidal heights,
×
×
×
: Standard Tidal heights,
×
×
×
: Opponent Tidal heights, and
×
×
×
: Minutes of scene center time.
Eq. (2)에서
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는 분 단위까지 보정된 부산항의 조위를 나타내며,
×
×
×
은 기준 조위(cm),
×
×
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는 상대 조위(cm),
×
×
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는 영상 관측시간이다. 본 연구에서 사용한 영상의 수집 시 간은 10시부터 11시 사이에 수집되었다. 따라서 본 연구에서 는
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은 부산항에서 10시에 관측된 조위,
×
×
×
는 11시에 관측 된 조위 값을 사용하였고. 분 단위의 조위를 선형적으로 계산 하여 보정을 시간차에 따른 보정을 수행하였다. Eq. (2)에서 계산한 부산항의 조위를 이용하여 Eq. (3)에 의해 연구지역 과 가장 가까운 곳인 다대포의 조위를 보정할 수 있다(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency).
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×
×
(3) where:
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×
×
: Opponent port Tidal heights,
×
×
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: Standard port Mean sea level,
×
×
×
: Tidal heights Ratio, and
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×
×
: Opponent port Mean sea level.
Eq. (3)에서
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×
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는 다대포의 보정된 조고를 나타내고,
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×
는 부산항의 평균해면(cm),
×
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는 다대포의 조고비,
×
×
×
는 다 대포의 평균해면(cm)을 나타낸다. 부산항의 평균해면은 62 cm이고, 다대포항의 조고비는 1.17, 다대포항의 평균해면은 73 cm이다. 이를 Eq. (3)에 대입하면, Eq. (4)와 같은 다대포항 의 조고를 계산할 수 있다.
×
×
×
(4)
본 연구에서는 Eq. (4)를 이용하여, 각 영상의 관측시간에 나타난 조고를 계산하였으며, 조위 및 시간에 따른 낙동강 하 구 연안 사주섬의 변화를 관측하여 결과를 분석하였다.
4. 연구결과
Fig. 3은 조위에 따라 나타나는 낙동강 하구 연안 사주섬의 면적 변화를 관측한 결과이다. 본 연구에서는 낙동강 연안 사 주섬의 변화를 관측하기 위하여 총 3개의 지역으로 분할하였 으며(Fig. 2), 이에 따라 조위에 나타나는 면적 변화도 3개의 지 역으로 나누어 관측하였다. 신호도와 진우도가 포함된 1지역 의 경우, 조위가 상승함에 따라 가장 큰 면적변화를 보였으며, 조위와 관측된 면적간의 상관계수는 0.8732이다. 2지역과 3지 역 역시 조위가 증가함에 따라 관측되는 면적이 감소하는 결 과가 잘 나타났으며, 각각의 상관계수는 0.8598, 0.8975로 높 은 상관성을 보이는 것을 알 수 있다. 이 결과는 조위에 따라 나타나는 면적에 영향을 줄 수 있는 중요한 변수임을 검증할 수 있으며, 각 조위구간별 면적을 관측하는 것이 반드시 필요 한 것임을 판단할 수 있다.
본 연구에서는 낙동강 하구 연안 사주섬의 변화를 관측하 기 위해서 각각의 조위 구간을 설정하고 시계열 분석을 수행 하였다 (Table 3). 특히 본 연구에서는 하구둑이 설치된 1984 년 이후와 명지도의 매립이 실시된 1994년 이후의 면적변화 에 초점을 두어 분석을 수행하였다. 더불어 동일한 조위에서 면적변화에 있어 규칙성이 보인다고 판단되는 구간을 선정하 여, 위성영상과 비교하여 추가 분석하였다.
Fig. 4는 수집한 영상에 대한 조위의 범위를 10 cm로 설정 하여 조위를 기준으로 분류하고, 각 조위에 따라 수집된 영
Cite Busan Dadaepo
Location Latitude (N) 35°05′46″ 35°03′16″
Longitude (E) 129°02′08″ 128°58′21″
Reference station Busan Busan
Corrections
constants Time difference for tide (min) 0 8
Height ratio for tide 1.00 1.17
Non-harmonic constants
Mean high water interval 8:09 8:17
Spring rise (m) 1.2 1.4
Neap rise (m) 0.8 0.9
Mean sea level(
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×
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) (m) 0.62 0.73
Table 2. Corrections and non-harmonic constants of Busan and Dadaepo
Time Series Analysis of Area of Deltaic Barrier Island in Nakdong River Using Landsat Satellite Image
463 상을 시계열로 분석한 결과이며 이에 따라 조위별 분석 자료
의 양과 날짜가 상이하다. 조위는 40 cm 부터 140 cm까지 총 10개의 구간으로 분류하였으며, 수집된 자료의 부족으로 인 하여 결과가 산출되지 않은 70~80 cm, 100~110 cm의 조위 구간은 제외하였다. Fig. 4(a)는 조위가 40~50 cm일 때 시계 열 분석 결과로, 1984년 낙동강 하구댐 설치 이후 세 지역에 서 유사하게 면적변화가 나타나는 것을 관측할 수 있다. 그러 나 각각의 변화를 관측했을 때, 그 원인은 차이가 있을 것으 로 판단된다.
1지역의 경우 지형상 큰 변화는 나타나지 않으나 주변의 사 질퇴적물의 퇴적과 침식으로 인하여 나타나는 결과로 예상되 며 , 2지역의 경우 1991년 영상과 2013년 영상을 비교해 보면, 주거단지 건설로 일부 지역이 매립되어 면적이 감소하였으나, 신자도의 면적 증가로 인해 결과적으로 큰 면적변화는 없는 것을 확인할 수 있다.
3지역의 경우 1985년의 영상과 1991년의 영상을 비교했 을 때, 하구둑 건설 후 을숙도와 백합등을 잇는 사주가 사 라져 면적이 감소한 것을 알 수 있다. 동시에 3지역 남단에 새로운 사주가 형성되고 있는 것을 확인할 수 있다. 조위가 50~60 cm 일 때 Fig. 4(a)에서 나타난 바와 유사하게 3지역
에서 을숙도와 백합등을 잇는 사주가 사라짐과 동시에 새 로운 사주가 형성되었기 때문에 총 면적변화는 크게 나타 나지 않는 것을 관측할 수 있다(Fig. 4(b)). Fig. 4(c)는 조위 가 60~70 cm일 때의 결과이며, 2지역에서 신자도의 면적은 증가하였으나, 1987년에는 신자도와 대마등 사이에서 조위 60~70 cm일 때 관측되던 사질퇴적물의 면적이 점차 줄어들 었으며, 낙동강 하구둑 건설이후 지속적으로 변화가 발생되 는 것으로 예측된다.
또한, 3지역의 경우 을숙도와 백합들을 잇는 사주가 줄어
들었으나, 3지역 남단에 새로운 사주가 생성되었으며, 이를 도
요등이라 명명하였다. 위성영상에서 관측한 결과 도요등에서
면적변화는 크게 나타나지 않으나, 1991년부터 최근인 2013
년까지도 활발하게 움직이고 있음을 확인할 수 있다. 조위가
80~90 cm인 구간에서 역시 2지역의 경우 Fig. 4(c)와 유사하
게 낙동강 하구둑 건설이후 쌓여있던 사질퇴적물의 면적이
줄어드는 것으로 예상된다(Fig. 4(d)). 조위가 90~100 cm인 경
우 특히 1987년과 2002년 사이에 큰 격차가 발생했으며, 이러
한 결과는 2지역의 경우 앞서 언급한 바와 같이 신자도와 대
마등 사이에서 나타난 오차로 사료되며, 3지역의 경우 큰 변
화가 나타나지 않는 것으로 관측되었다. Fig. 4(f)와 같이 1995
Fig. 3. Area of deltaic barrier island according to tide level
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 34, No. 5, 457-469, 2016
년때 2지역의 대마등과 3지역의 맹금머리등과 백합등간의 지 형변화가 나타났으며, 이에 따른 면적변화가 나타났을 것으로 판단된다. 조위가 120~130 cm일 때 시계열 분석한 결과, 지형 변화가 크게 나타났기보다 3지역에서 도요등의 움직임이 나 타났으며, 맹금머리등에서도 움직임이 나타났다. Fig. 4(h)에
서 나타난 바와 같이 조위 130~140 cm일 때 변화가 크게 나 타나지 않았으며, 조위가 120 cm이상일 때부터 지형변화는 크게 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 1984년 건설 이후 백합 등과 을숙도 사이에 사주가 사라지면서 면적이 감소한 것으 로 나타난다.
Table 3. Deltaic barrier island area at each tide level (unit:
×
×
×
) Tide
interval Date Zone 1 Zone 2 Zone 3
40 - 50
1984-11-05 2550116 6288637 4075749 1985-06-01 2839880 7161197 4283983 1991-02-26 2192648 6091565 3320221 2013-11-13 2864626 5957879 4098246 Avg. 2611817 6374819 3944549 RMSE 271769 469012 369403
50 - 60
1985-10-23 2696671 7003673 4054131 1991-01-09 2532322 7114769 3748043 1997-06-18 2644317 5551636 4238078 2005-12-25 2526252 5078979 4230890 2006-06-19 2604992 4846908 3583265 2007-01-29 2721970 5957446 4281917 Avg. 2621087 5925568 4022720 RMSE 74790 875363 266599
60 - 70
1987-05-06 2308556 6385912 3237865 1989-02-04 2004417 6002172 3212672 1991-03-14 1762095 5491352 3179000 1994-05-09 1616273 4547457 2813941 1998-11-12 2380854 5092372 3552773 2002-04-05 2244890 4631120 3312799 2007-08-25 2403604 4755900 3337800 2013-04-03 1914035 3970939 2969845 Avg. 2079340 5109653 3202086 RMSE 279289 753183 212183
80 - 90
1986-04-01 1996958 5728510 3160422 1989-08-15 1142702 3383496 1818648 2005-05-15 1303913 2845691 2106385 2010-09-18 2160059 4167924 3130209 Avg. 1650908 4031405 2553916 RMSE 408793 1625401 846119
Tide
interval Date Zone 1 Zone 2 Zone 3
90 - 100
1984-09-18 1520440 5277974 3256011 1987-04-04 1413094 4732296 1956879 1989-12-05 1532292 4902249 2491882 2002-03-20 1553182 2811503 2444853 2012-12-12 1595567 3789729 3183354 Avg. 1522915 4302750 2666595 RMSE 60579 892410 489457
110 - 120
1989-08-31 1012450 1988970 1105658 1992-11-11 938692 1959847 1087024 1995-08-16 1362416 3907469 2288310 2009-10-17 1346195 2389335 1697822 Avg. 1164938 2561405 1544703 RMSE 191240 795463 494627
120 - 130
1985-09-05 1293689 2363299 1744018 1987-03-03 1039715 2553272 1200580 1989-04-25 976672 1996308 969549 1992-10-26 927312 1899311 1050964 1993-06-07 932483 1881628 1006707 2000-08-21 1169328 2161143 1353491 2001-12-30 1162075 2102408 1611719 2008-12-01 1173936 2155359 1538918 Avg. 1084401 2139091 1309493 RMSE 125709 214499 278537
130 - 140
1984-07-16 1021807 1819493 1489209
1985-07-19 1031385 1724878 1308146
1994-07-12 1030183 2060825 1217774
2001-08-24 1059687 2039308 1376569
2011-08-04 1164411 2208949 1325881
Avg. 1061494 1970690 1343515
RMSE 53022 174862 89097
Time Series Analysis of Area of Deltaic Barrier Island in Nakdong River Using Landsat Satellite Image
465
Fig. 4. Time series analysis about change detection of deltaic barrier island area at each tide level
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 34, No. 5, 457-469, 2016
Fig. 4. Continue
Fig. 5는 각 조위 별 평균 면적을 기준으로 평균 제곱근 오 차(RMSE)를 구역별로 나누어 산출한 결과이다(Table 3).
RMSE는 최소 5%에서 최대 24%이내의 오차율을 보였다. 특 히 조위 구간이 80~90 m 일 때, 오차가 크게 나타나는 것으 로 계산되었는데, 이는 시간에 따라 사질 퇴적물의 면적 변화 가 크게 나타난 구간인 것을 확인 할 수 있다(Fig. 4). 반면, 조 위가 120 m 이상인 구간에서는 지형변화가 크게 나타나지 않 음에 따라 RMSE 역시 8%이내의 오차 범위를 보이는 것으 로 나타났다.
5. 결 론
본 연구에서는 1984년부터 2015년까지 총 31년간의 Landsat TM, ETM+ 영상 76장을 이용하여 하중도 전면에 형성되어있는 사주와 간석지를 크게 세 지역으로 나누어 면 적을 구하였다. 연구지역의 특성상 조위의 영향을 많이 받기 때문에 국립해양조사원의 조위자료와 조석표를 이용하였으 며, 표준항인 부산항의 조위 값을 기반으로 보정을 수행하고, 조위 값을 계산하여 연구에 사용하였다. 특히 본 연구에서는 Landsat의 밴드 특성을 분석하여, 수면 위에 드러난 모래섬과
바다를 효과적으로 구별할 수 있는 4번 밴드 영상을 이용하 여 육지와 물을 구분하였으며, 낙동강 하구역 삼각주의 면적 은 GIS기법을 기반으로 산출하였다. 또한, 이를 바탕으로 연 도별 면적변화는 일정 구간의 조위에서의 영상을 이용하여 분석하였으며, 조위에 따른 면적변화는 시계열 분석을 수행 하였다. 면적에 따라 조위를 구간별로 나열하여 면적변화의 경향성을 분석한 결과, 1지역인 진우도의 경우 다른 지역에 비 해 과거에 생성되어 안정된 사주섬이기 때문에 커다란 면적의 변화는 발생하지 않았으며, 소폭의 한도내에서 증감이 반복 된 것으로 판단된다.
1지역의 1994년 이전과 이후의 면적변화를 관측한 결과, 평 균 3,015
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