고품질 공간정보를 이용한 토석류 분석을 통한 산사태위험지도의 갱신방안 - 춘천지역을 중심으로 -
An upgrade of Landslide Hazard Map with Analysis of Debris Flow using High-Quality Geospatial Information
*
양인태*ㆍ유영걸**ㆍ박 건***ㆍ박재국****
Yang, In TaeㆍYu, Young GeolㆍPark, KheunㆍPark, Jae Kook
要 旨
본 연구에서는 춘천지역을 대상으로 집중호우에 의해 발생된 산사태 및 토석류에 대한 분석을 위해 고해상도 디지 털항공사진영상과 항공 LiDAR 자료를 이용하여 생성된 고품질 3차원 공간정보를 활용하였다. 또한 산사태 발생 지역에 대한 기존 산사태 위험등급도와 산사태 관련인자의 연관성을 분석하였으며 집중호우에 의해 토석류를 동 반한 산사태 피해가 많이 발생된 지역을 대상으로 토석류의 분석결과를 검토하였다. 이 결과를 이용하여 기존의 산사태 위험지도를 효과적으로 갱신하고 산사태 위험지역에 대한 관리에 고품질 공간정보를 활용할 수 있는 방안 을 제시하고자 하였다.
핵심용어 : 산사태, 공간정보, 토석류
Abstract
This study utilized high quality three-dimensional geospatial information produced by high-resolution Digital Aerial Photograph and Airborne LiDAR data in order to analyse landslides and debris flows induced by the heavy rainfall in Chuncheon area. Also, this study analysed correlation between the established landslide hazard map and the landslide factor effect and reviewed the analysis result of debris flows on the area where landslides with debris flows occurred frequently. Finally, the study proposed ways to renew the established landslide hazard map effectively and utilize the high quality three-dimensional Geospatial information on the landslide risk area.
Keywords : Landslide, Geospatial Information, Debris Flow
1. 서 론
최근 집중호우, 태풍 등에 의해 토석류를 동반한 산 사태가 발생하여 많은 재산과 인명 피해가 발생하면서 토석류를 동반한 산사태 발생에 대한 관심이 증가하고 있다.
토석류는 산지나 급경사지에 짧은 시간동안에 강우 가 집중되어 높은 수위의 홍수파를 형성시켜 흙, 자갈, 나무 등이 함께 유동되어 하류지역에 하천범람, 배수시
설 역류, 도로유실 및 주택침수 등의 피해를 발생시킨 다.
토석류의 발생원인은 지질구조, 지형, 토질 등의 내 적요인과 강우, 지진 등의 자연적 요인, 절토사면, 벌목 등의 인위적 요인이 복합적으로 작용하므로 신뢰성 높 은 예측 및 분석에 어려움이 있다(Yoo et al., 2008).
산사태와 관련한 위험성 예측 및 사면에 대한 지속적 인 관리가 필요하지만 산사태 위험지역에 대한 광범위 성과 분석을 위한 현장조사의 한계, 수치지형도 등 기
Received: 2015.08.26, revised: 2015.11.03, accepted: 2015.12.09
* 정회원ㆍ강원대학교 토목공학과 교수(Member, Professor, Dept. of Civil Engineering, Kangwon National University, [email protected])
** 교신저자ㆍ정회원ㆍ대원대학교 철도건설과 겸임교수(Corresponding author, Member, Dept. of Railroad Construction, Daewon University College, [email protected])
*** 정회원ㆍ강원대학교 대학원 토목공학과 박사수료(Member, Ph.D. Candidate, Dept. of Civil Engineering, Kangwon National University, [email protected])
****정회원ㆍ남서울대학교 GIS공학과 조교수(Member, Assistant Professor, Dept. of GIS Engineering, Namseoul University, [email protected])
17 Vol.23 No.4 December 2015 pp.17-24
연구논문
ISSN: 2287-6693(Online) http://dx.doi.org/10.7319/kogsis.2015.23.4.017
존 지도들의 축척 및 제작시기에 의한 영향으로 정밀도 가 낮아 산사태 관련인자의 분석이 난해하며 산사태의 발생에 직접적인 영향을 미치는 태풍 및 집중호우 등의 동적자료를 활용한 연구가 필요하기 때문에 산사태에 대한 분석과 관리가 어려운 실정이다(Yang et al., 2007, Yoo et al., 2012).
또한 산사태 분석은 정확도 향상에 관한 연구에 집중 되어 구체적인 산사태 및 토석류 피해규모를 제시하는 데 한계가 있으며 지방자치단체에서 효과적으로 산사 태 위험등급도, 다양한 공간정보를 활용하는데 어려움 이 있다(Park et al., 2008).
따라서 지역적 특성에 알맞은 정밀한 산사태 위험지 예측을 위한 인자 추출 방법 및 평가 모델을 제시하기 위해서는 최신기술과 고품질, 고정밀의 항공 LiDAR 자료와 고해상도 디지털 항공사진 등의 공간정보에 대 한 활용 가능성 및 활용방안에 대한 분석이 필요하다.
본 연구에서는 고품질 공간정보를 활용하여 GIS 분 석 방법과 산사태 및 토석류의 발생 예측을 통해 산사 태 및 토석류를 분석하였다. 또한 토석류 분석결과를 활용하여 산사태 위험 등급도의 개선, 수정 및 갱신방 안을 제시하고자 하였다.
또한 토석류의 특성을 분석하여 피해가 예상되는 지 역을 선정하여 종합적인 산사태 및 토석류 관리를 위한 방안을 제시하고자 하였다.
2. 연구방법
산사태 및 토석류에 대한 분석을 위해서는 기존 피해 지역에 대한 다양한 공간정보가 필요하다. 이들 자료로 는 기존 산사태 위험등급도, 현황측량 자료, 1:5000 수 치지형도 및 항공 LiDAR 자료, 디지털 항공사진 영상 을 이용한 고정밀 공간정보를 생성하고 이들 자료를 활 용하여 산사태 및 토석류에 대한 위험 등급도를 산정하 는데 도움을 주고자 하였다.
고정밀 자료를 신속하고 효과적으로 제공함으로써 산사태 관리 및 피해분석에 필요한 공간정보를 구축하 고 신뢰도를 높이고자 하였다.
본 연구에서는 항공 LiDAR 자료를 이용하여 DSM 과 DEM을 생성하였으며, 산사태 및 토석류와 지역적 인 지형인자에 대한 특성을 분석하였다. 또한 고해상도 디지털 항공사진영상은 산사태 발생전후인 2009년과 2014년에 촬영된 영상을 사용하였다.
토석류에 대한 분석은 토석류 해석프로그램인 RApid Mass MovementS(RAMMS)를 사용하였다.
RAMMS는 재해인 눈사태(avalanche), 토석류(debris
Figure 1. Research flow
flow) 및 낙석(rockfall) 등 예측이 어려운 속도와 복잡 한 지형에 적합하도록 설계, 개발된 응용프로그램으로 최첨단 수치 시뮬레이션 모델을 이용하여 움직임을 계 산한다.
또한 시뮬레이션을 필요로 하는 사용자가 쉽게 접근 할 수 있도록 시각화 도구를 이용하여 분석하고 시뮬 레이션 결과를 검토하여 평가할 수 있다(Graf and McArdell, 2008, Christen et al, 2010, Berger et al, 2011, Scheuner, 2011). Fig. 1은 연구과정을 나타낸 것이다.
3. 분석 및 결과
3.1 연구대상지역
본 연구에서는 2011년 7월 27일 6시간 연속강우량 261㎜의 집중호우에 의해 토석류를 동반한 산사태 피 해가 많이 발생된 춘천지역을 대상으로 하였다.
연구대상지역에 대한 공간정보는 라이카 ALS50으로 2009년에 촬영된 항공 LiDAR 자료와 디지털 항공사 진영상, 1:5000 수치지형도, 산림청의 1:25000 산사태 위험등급도, 강원도 산림개발연구원의 산사태 발생현 황 자료 및 현장측량 자료 등을 이용하여 분석을 수행 하였다.
Fig. 2는 연구대상지역과 DEM을 나타낸 것이며 토 석류에 의한 산사태가 발생한 지역으로 오월 지역은 발 생건수가 많은 지역이고 천전 지역은 발생건수는 3건 으로 많지 않지만 재산 및 사망 13명, 부상 20명 등 인 명피해가 많이 발생한 지역이다.
Figure 2. Study area
Figure 3. Hazard class map of landslide
Figure 4. 3-Dimensional view
Fig. 3은 산림청에서 제작 배포하고 있는 연구대상지
역의 산사태 위험 등급도를 나타낸 것이다. Fig. 4는 항 공사진영상과 DEM을 중첩하여 나타낸 것이다. Fig. 5 는 오월 지역, Fig. 6은 천전 지역에 대한 디지털 항공사 진영상과 산사태 발생지역을 중첩하여 나타낸 것이다.
오월 지역은 강원도의 전형적인 산지 지역으로 급류 에 의한 하상침식이 주로 발생된 지역이며 산사태 발생 면적이 큰 20개소를 지정하였으며 천전 지역은 주거지 역과 산지가 혼재된 지역으로 재산 및 인명피해가 발생 된 지역이며 주로 피해가 크게 발생된 3개소 지역을 대 상으로 분석을 수행하였다.
Figure 5. Landslide area in OHWOL
Figure 6. Landslide area in CHEONJEON
Figure 7. Photograph of CHEONJEON
3.2 지형 특성분석
산사태 발생지역에 대한 지역적인 특성분석을 위해 토석류 발생 이전과 이후의 2009년과 2014년 항공사 진영상을 이용하였으며 수치지형도와 항공 LiDAR의 DEM을 생성하여 처리하였다.
Fig. 8, 9는 연구대상지역의 DEM을 나타낸 것이다.
Fig. 10, 11은 산사태 위험 등급도와 산사태 발생지 역을 중첩하여 나타내 것이다.
산림청 산림과학원의 산사태 위험 등급도는 전국의 산림을 대상으로 집중강우 등 산사태 유발요인이 작용 할 경우, 지형인자(경사길이, 사면형, 경사), 임상, 토심 및 모암 등과 관련되어 산사태 발생이 진행될 가능성이 높은 지역을 위험도 순으로 4등급으로 구분하여 나타 내었다. 이러한 정보를 활용하여 합리적인 산사태 예방 사업을 수행하는 것이 가능하다.
- 발생가능성이 대단히 높은 지역 : 1등급 - 발생가능성이 높은 지역 : 2등급 - 발생가능성이 있는 지역 : 3등급 - 발생가능성이 없는 지역 : 4등급
천전 지역의 토석류 발생지 등급별 분포는 1등급 22.8%, 2등급 57.5%, 3등급 19.7%로 분석되었다. 오
Figure 8. DEM of OHWOL
Figure 9. DEM of CHEONJEON
SITE
Landslide occurrence distribution by class
Class1 Class2 Class3 Class4
OHWOL 7.4 55.8 36.1 0.7
CHEONJEON 22.8 57.5 19.7 -
Table 1. Landslide occurrence distribution by class Unit: (%)
Figure 10. Hazard class of landslide in OHWOL
Figure 11. Hazard class of landslide in CHEONJEON
월 지역의 토석류 발생지 등급별 분포는 1등급 7.4%, 2등급 55.8%, 3등급 36.1%, 4등급 0.7%로 분석되었다.
분석된 산사태 위험등급도와 토석류 발생지의 관계 에서는 대부분 2등급에 포함되어 있었다. 이는 토석류 를 동반한 산사태에 대한 위험 및 평가 요소가 기존의 산사태 위험등급 평가에 100% 반영되지 않았기 때문 이다.
즉, 해당 연구지역에 계곡이 많아 토석류 산사태가 발생할 확률이 높음에도 불구하고 기존의 산사태 평가 방법으로는 1등급이 아닌 2등급지로 분류될 확률이 충 분하다. 이는 산사태 위험등급도의 2등급지에 해당하는 토석류 산사태 발생 가능지역을 관리하기에는 너무 넓 은 지역을 대상으로 하고 있어 위험관리에는 어려움이 따른다.
따라서 산사태 위험등급에 토석류의 특성을 결합하
여 등급도를 개선할 필요가 있다.
연구대상지역의 토석류 발생지에 대한 지역적 특성 은 경사, 사면형(curvature), 경사길이에 대해 분석을 수행하였다.
이는 산림청의 산사태 위험등급도의 지형인자들에 판정기준과 연구대상지역의 산사태 및 토석류의 발생 특성이 유사성이 있는가를 분석하기 위한 것이다.
연구대상지역의 토석류는 상대적으로 하류지역에 집 중되고 있었다.
경사의 경우, 두 지역 모두 약 27°의 평균 경사를 나 타내고 있었다.
경사길이의 경우, 오월 지역은 최대 길이 440.9m, 평 균길이 54.4m, 천전 지역은 최대 길이 197m, 평균길이 40.1m로 나타났다.
Figure 12. Slop of CHEONJEON
SITE MIN MAX AVERAGE STANDARD DEVIATION
OHWOL 0 47.8 26.8 10.3
CHEONJEON 5.1 42.8 27 9.6
Table 2. Slope Unit: degree(°)
Figure 13. Slope length of CHEONJEON
SITE MIN MAX AVERAGE STANDARD DEVIATION
OHWOL 0 440.9 54.4 60.6
CHEONJEON 2.5 197 40.1 40.7
Table 3. Slope length Unit: m
Figure 14. Curvature of CHEONJEON
Curvature OHWOL CHEONJEON
Positive curvature 25.3% 27.1%
Zero curvature 32.1% 11.5%
Negative curvature 42.6% 61.3%
Table 4. Curvature distribution
사면형의 경우, 오월 지역과 천전 지역 모두 하강사 면에서 산사태가 많이 발생된 것으로 분석되었다. 이는 산림청의 분석기준과 유사한 결과를 나타내고 있다.
Fig. 15는 토석류 발생지역의 재해 이전의 2009년 항공사진영상을 DEM과 중첩하여 3차원으로 나타낸 것이다. 또한 Fig. 16는 토석류 발생 이후 복구가 완료 된 후인 2014년의 항공사진영상을 3차원으로 나타낸 것이다. 이와 같이 두 시기의 항공사진영상을 통해서 지형적인 변화가 있음을 확인할 수 있다. 이러한 지형 적 변화에 대한 정량적인 토량의 침식량을 계산하기 위 해 토석류가 발생하기 이전과 복구를 위한 현장측량 자 료를 이용하여 체적의 변화를 계산하였다.
Fig. 17은 현장 측량 자료를 나타낸 것이다. 현장 측 량된 등고선을 이용하여 TIN 편집을 수행하여 DEM을 생성하였으며 항공 LiDAR의 DEM과 비교분석을 통하 여 토량의 변화를 계산하였다.
비교결과, 최대 침식 높이는 5.7m, 평균 침식 높이는 2.5m, 최대 퇴적 높이는 3.0m, 평균 퇴적 높이는 0.5m 로 나타났으며 침식량은 42744.3 ton, 퇴적량은 7918.2 ton으로 계산되었다.
Figure 15. 3D view of 2009 year(prior debris flow)
Figure 16. 3D view of 2014 year(after debris flow)
Figure 17. result of field survey
3.3 토석류 분석과 산사태위험등급도의 갱신방안 토석류는 집중강우에 의해 발생되어 흙, 자갈 및 나 무 등의 혼합물이 유동하는 현상으로 짧은 시간, 빠른 속도로 산지의 계곡부와 하천을 따라 다양한 입자들이 유출부로로 이동 및 퇴적되며 하류부에 큰 피해를 유발 할 수 있다.
Fig. 18은 토석류 분석 과정을 나타낸 것이다.
토석류 분석에서 RAMMS의 입력 자료는 지형자료 인 DEM, 마찰정보(건조유형마찰(), 점성유형마찰
Figure 18. Analysis of debris flow
()), 수문자료(유출량, 시간) 등이 필요하다. 본 연구에 서 DEM의 격자크기는 5m로 설정하여 계산하였다. 시 뮬레이션 결과 값은 흐름 높이, 흐름 속도, 3D & 2D 지도 및 단면 그래프 등이 있다. 이들 결과들은 토석류 의 예상경로와 유동적인 거동특성을 분석할 수 있으므 로 재해 방지와 대책을 수립하는데 도움을 줄 수 있다.
천전지역의 토석류 분석에서 흐름 높이는 최대 3.26m, 흐름 속도는 최대 5.16m/s로 나타났다.
본 연구에서는 토석류의 최대 높이를 고려한 산사태 위험 등급도의 갱신 방안을 제시할 것이다. Fig. 19, 20 은 천전 지역의 토석류 분석 결과를 나타낸 것이다. 토 석류의 높이를 예측한 것으로 2011년에 발생된 지역을 포함하고 있다.
Figure 19. Max height of debris flow in CHEONJEON
Figure 20. Max height of debris flow in CHEONJEON
산사태 위험 등급도를 개선 및 갱신하기 위해서는 토 석류 분석을 통해 계산된 토석류 지도를 중첩 계산하여 갱신하는 방안을 제시하고자 하였다.
우선 토석류 분석 결과는 토석류 흐름 높이와 속도자 료를 이용하여 격자크기 10m의 토석류 예측 지도를 생 성하였다.
연구대상지역의 토석류 예측지역의 하류 지역은 주 거지역이 대부분 차지하고 있는 지역이므로 위험등급 이 1등급이 되도록 지도 구성하였다.
산사태 위험 등급도의 시범적인 갱신을 위해 천전지 역을 대상으로 1:5000 1개 도엽 범위를 지정하여 기존
Figure 21. Hazard class map of landslide(existing)
Figure 22. Upgraded Hazard class map of landslide
Class Area ratio of existing hazard map
Area ratio of upgraded map
1 9.5 14.8
2 68.2 65.3
3 22.0 19.5
4 0.2 0.2
Table 5. Comparative of area ratio (unit: %)
산사태 위험 등급도와 토석류 분석도를 중첩하여 갱신 된 산사태 위험 등급도를 생성하였다. Fig. 21은 산림 청 산림과학원의 기존 산사태 위험등급도를 나타낸 것 이다.
Fig. 22는 토석류 분석 지도와 기존 산사태 위험 등 급도와 중첩분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
산사태 위험등급도의 갱신을 수행한 결과, 1등급 지 역은 6.3%증가하였으며 2등급과 3등급지역은 감소시 켰다. 하류지역의 경우는 주거지가 많이 분포하고 있어 위험지역에 대한 관리에 효과적일 것이라 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 산사태 및 토석류의 분석을 위해 항공 LiDAR 데이터, 고해상도 디지털항공사진 등의 고품질 공간정보를 활용함으로써 효과적인 산사태 및 토석류
의 현황 분석 및 거동특성을 분석하고 산사태 위험 등 급도의 갱신 방안을 제시하고자 하였다.
첫째, 산사태 및 토석류 발생지역의 비교분석에서는 항공 LiDAR 데이터와 디지털 항공사진영상을 활용하 는 경우 효과적인 지형 분석과 침식과 퇴적의 변화에 대한 분석을 수행할 수 있었다.
둘째, 토석류 발생지역의 조건을 적용하여 토석류 예 측 분석을 수행할 수 있었다. 분석 결과인 흐름 높이와 속도를 이용하여 기존 산사태 위험등급도의 수정 갱신 방안을 제시할 수 있었다.
셋째, 산사태 관리 및 분석에서 최신성과 정밀도를 갖춘 항공 LiDAR 데이터와 디지털 항공사진영상 등은 예상지역 지정, 재해조사 등에 활용성이 높을 것으로 판단되며 또한 재산과 인명피해를 유발하는 산사태 위 험예상지역에 대한 재해 방지와 대책을 수립하는데 도 움을 줄 수 있을 것이다.
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