산림바이오매스 활용을 위한 데이터베이스 및 시스템 설계
Design of Database and System for Application of Forest Biomass
*
이현직*ㆍ구대성**ㆍ유지호***
Lee, Hyun JikㆍKoo Dae SoungㆍRu Ji Ho
要 旨
지구온난화로 인하여 세계 선진국을 중심으로 온실가스를 감축하기 위한 국제협약을 체결해 왔으며, 우리나라도 2013부터 의무대상국 지정이 유력해짐에 따라 이산화탄소 배출량 감축을 위한 다양한 사업 및 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 산림바이오매스 량과 이산화탄소 량을 관리하기 위하여 이중화된 객체형 공간정보를 관 리하던 방식에서 벗어나 단일화된 격자형 공간객체를 기반으로 다양한 정보를 관리 할 수 있는 데이터베이스 제작 함으로서 다양한 속성에 따른 주제도를 제작할 수 있는 방안을 마련하였다. 또한 LiDAR자료와 KOMPSAT-2 위성 영상을 활용한 산림바이오매스 최적의 산정방법을 이용하여 산림바이오매스를 제작할 수 있는 시스템을 설계하였 으며, 다양한 기관에서 산림바이오매스를 등록하고 활용할 수 있는 산림바이오매스 모니터링 시스템을 설계함으로 서 산림바이오매스의 추출, 관리, 활용이 가능한 실질적 방안을 제시할 수 있었다.
핵심용어 : 격자형 공간정보 Database, 산림바이오매스 모니터링
Abstract
Due to the global warming, international agreements have been propelled by industrialized countries. These days, there are various studies and projects to reduce the carbon emission quantity in South Korea, because South Korea is a strong candidate for a newly industrialized nation by Kyoto Protocol. Therefore, this study arranges plans to create various thematic map by producing database that can manage various datum based on grid spatial objects to manage quantity of forest biomass and carbon dioxide. Moreover, this study designs a system to create forest biomass by using the best method of calculation with LiDAR data and KOMPSAT-2 satellite images. In addition, this study designs a biomass monitoring system for public institutions to register biomass, suggesting actual plans to extract, manage, and utilized forest biomass.
Keywords : Grid Spatial Information Database, Forest Biomass Monitoring
1. 서 론
전 세계는 지구온난화로 인해 발생하는 다양한 기후 변화로 인해 해수면의 상승, 대규모 태풍과 같은 기상 변화를 격고 있는 상황이다. 이러한 지구온난화로 인하 여 UN은 기후변화협약 회의를 진행하고 있으며, 세계 선진국을 중심으로 온실가스를 감축하기 위하여 2005 년 교토의정서를 공식 발효함으로서 국제협약을 체결 하고 있다. 이에 우리나라는 제17차 UN 기후변화협약 당사국 총회(2011.12, 남아공)에 참여하여 2020년부터 모든 당사국이 참여하는 새로운 의무감축체제를 구축
하기로 합의하였으며, 우리나라도 이산화탄소 배출량 을 평균 5% 수준으로 감축하여야 하는 당면과제를 가 지게 되었다.
이산화탄소 배출량을 감축하는데 있어 이산화탄소를 흡수하여 처리하는 것은 매우 중요한 요소이며, 고해상 도 위성영상과 항공 LiDAR 자료를 활용하여 산림바이 오매스 량을 산출하는 다양한 연구들이 진행되었다. 그 러나 다양한 도시개발로 인하여 이산화탄소량은 지자 체 별로 변화하고 있는 실정이며, 이를 상시적으로 변 화정보를 추출하고, 이를 관리할 수 있는 표준화된 추 출 방안 및 관리방안이 필요한 실정이다. 따라서 본 연
2013년 4월 1일 접수, 2013년 9월 26일 수정, 2013년 12월 10일 채택
* 정회원ㆍ상지대학교 건설시스템공학과 교수(Member, Civil Eng, Sangji University, [email protected])
** 정회원ㆍ공간정보기술 부장(Geospatial Information Technology Co,Ltd., [email protected])
*** 교신저자ㆍ정회원ㆍ상지대학교 건설시스템공학과 시간강사(Corresponding author, Member, Civil Eng, Sangji University, [email protected])
13 Vol.21 No.4 December 2013 pp.13-20
연구논문
ISSN: 2287-6693(Online) http://dx.doi.org/10.7319/kogsis.2013.21.4.013
구에서는 고해상도 위성영상과 항공 LiDAR 자료만을 이용하여 특정 지역에 대한 산림바이오매스를 산정할 수 있는 표준화된 작업 방법을 이용하여 산림바이오매 스량을 산출하고, 이를 관리할 수 있는 격자형 공간객 체 Database 및 활용시스템을 설계하였다.
2. 산림바이오매스 산정 방법
산림바이오매스를 산출하는 방법은 현장조사 방법, LiDAR 자료를 활용한 방법, 고해상도 위성영상을 활 용하는 방법으로 구분 할 수 있다. 그러나 최적의 산림 바이오매스를 산출하기 위하여 각각의 방법에 대한 장 점을 활용하는 것이 최적이라 판단하였으며, “산림바이 오매스 산정을 위한 LiDAR 자료와 고해상도 위성영상 활용(이현직 외 1인, 한국지형공간정보학회지, 20(1), p53-63)”에서 제시되었던 산림바이오매스 최적산정 공 정을 기반으로 하여 데이터베이스 설계 및 시스템 설계 를 수행하였다.
사전에 진행되어진 연구의 경우 산림 정보의 추출을 위하여 고해상도 위성영상인 KOMPSAT-2 위성영상 을 객체기반분류기법을 통하여 토지피복 분류를 수행
Figure 1. Flowchart of biomass estimation
하였으며, 추출된 산림 정보는 다시 활엽수, 침엽수, 혼효림등의 임상으로 분류하였다. 또한 항공 LiDAR 자료를 이용하여 산림의 수고점 자료를 추출하였으며, 수고점 자료는 포인트 필터링 기법을 이용하여 지면점 을 제거하고, 수관 형태에 따른 산림을 분류 한 후 식생 점에 영역확장 기법을 이용하여 수고점을 산정하였다.
산정된 임상자료와 수고점 자료는 융합함으로서 임상 영역별에 따른 객체목을 분류할 수 있었으며, 흉고직경 과 객체목별 줄기재적을 산정함으서 객체목별 산림바이 오매스량과 이산화탄소 흡수량을 산정할 수 있었다.
따라서, 지역별 산림바이오매스를 산출하기 위한 작 업 방법은 Fig. 1과 같다.
3. 산림바이오매스 Database 설계
특정 영역에 해당하는 정보를 관리하기 위하여 기존 시스템에서 활용하는 공간 객체는 Fig. 2와 같이 면 형 태의 객체로 관리하는 경우가 많다. 수치지형도의 지형 지물이나, 수치 임상도처럼 특정지역의 단일화된 정보 를 관리할 경우 점, 선, 면의 형태로 개별 정보를 표현 할 수 있는 객체관리 기법이 매우 효율적일 수 있다. 그 러나 산림바이오매스의 경우 단순히 산림바이오매스량 이 중요한 것이 아니라 동일 지역에 식생분류, 줄기재 적, 산림바이오매스, 이산화탄소 흡수량 등 다양한 정 보를 복합적으로 분석하여야 하며, 이를 통해 다양한 주제도의 형태로 표현해야만 활용도가 높다고 판단하 였다. 따라서 본 연구에서는 지역적으로 표현되는 다양
Figure 2. Object-Based spatial information
한 정보를 효과적으로 관리 할 수 있도록 격자형 공간 객체 Database를 설계하였다.
격자형 공간객체는 영상의 픽셀과 같이 가로×세로 길이가 일정한 격자로 구성된 Database로서 각각의 격 자에 해당지역의 정보를 다양하게 담고 사용자의 목적 에 따라 필요한 정보를 주제도 형태로 표현할 수 있다.
본 연구에서는 향후 산림바이오매스 및 이산화탄소 흡수량 산출에 대한 전국 확산을 고려하여 격자형 공간 객체의 기준을 정의 하였다.
최소격자는 10m×10m로 정하였으며, 격자의 크기는 10m, 30m, 100m, 1km, 10km, 100km 등의 정방형 격 자로 설계하였다. 격자의 원점 기준은 산림바이오매스 를 산출함에 있어 다양한 공간정보를 사용해야 하기 때 문에 국토지리정보원의 연속수치지도의 좌표계인 UTM-K의 원점인 경도 127.5° 위도 38도를 기준으로 격자를 재구성하였다. 재 구성된 격자의 기준은 Fig. 3 에 나타내었다.
제일 작은 단위인 첫 번째 격자는 10m×10m로 우리 나라의 4극을 포함하도록 격자를 구성하였다. 두 번째 크기의 격자는 30m× 30m로 국내의 국가기관에서 가 장 많이 사용하는 격자의 크기를 바탕으로 하였으며, 도곽기반으로 사용하고 있는 사용자들도 쉽게 활용할 수 있도록 1″에 유사한 크기로 결정하였다.
세 번째 크기의 격자는 100m×100m로 구성하였으 며, 단계별로, 1km, 10km, 100km의 크기의 격자로 구
Figure 3. Basic criteria of grid spatial object
Figure 4. Grid spatial object
Figure 5. Grid with the information of forest points
성하였다. 격자는 하위의 격자가 상위의 격자에 포함될 수 있는 피라미드식 구조로 구성하였으며, 통계분석이 유용하도록 구축하였다.
Fig. 4는 본 연구에서 산출된 10m×10m 격자형 공간 객체를 나타낸 것이다.
각각의 격자에는 해당 위치의 영상 RGB 값, LiDAR 를 이용한 평균 수고, 평균 수종, 평균 줄기직경, 평균 산림바이오매스량, 평균 이산화탄소흡수량 등을 입력 하였으며, 해당 정보들은 각각의 원시자료와 공간매칭
Figure 6. Map of forest biomass
을 통한 평균값을 등록하였다.
해당 작업은 ArcGIS를 이용하여 작업을 수행하였으 며, 다음 Fig. 5는 산림바이오매스가 존재하는 지역에 대한 격자를 나타내었다.
산림바이오매스의 정보를 등록한 10m × 10m 격자 는 8,967개로 격자내 총 산림바이오매스는 최대 19.92kg/m³에서 최소 0.01kg/m³으로 나타났다.
이렇게 분할된 10m ×10m 격자의 산림바이오매스 량을 2kg/m³을 한 구간으로 지정하고 9개 구간으로 구 분하여 Fig. 6과 같이 분포도를 제작하였다. 따라서 해 당 방법을 통하여 가장 많은 분포를 가지고 있는 구간 으로 2kg/m³ 이하 구간과 2kg/m³ 이상 4kg/m³ 이하 구 간이 주를 이루고 있는 것을 보다 손쉽게 표현할 수 있 었다.
4. 모니터링 시스템 아키텍쳐 설계
산림바이오매스를 효율적으로 관리하기 위하여 산림 바이오매스 모니터링 시스템의 아키텍쳐를 설계하였다.
아키텍쳐 부분은 크기 기초적인 시스템을 관리하는 부 분(System Layer), 개별시스템의 기능을 관리하는 부 분(Foundation Layer), 각각의 원시자료를 이용하여 산 림바이오매스를 산출하는 부분(Business Layer), 그리 고 산림바이오매스를 활용하는 부분(Application Layer) 로 총 4단계로 구분하였다.
System Layer 부분은 데이터베이스의 관리와 데이 터베이스에 탑재되어 있는 원시자료, 산림바이오매스
Figure 7. Configuration method of software architecture
량, 이산화탄소량등을 관리하며, 공간자료와 연계하여 활용할 수 있는 기반을 제공한다.
Foundation Layer 부분은 자료처리와 활용부분에서 필요한 자료처리와 시스템 상에 필요한 공통적인 Module을 관리하고, 개별 시스템상에 활용할 수 있는 기본적인 기능을 제공하도록 구성하였다.
Business Layer 부분은 업무처리 및 자료처리 부분 으로서 산림바이오매스를 원시자료를 통하여 지역별, 자료별로 처리하며, 여기서 산출되는 자료는 최종적으 로 데이터베이스에 탑재되도록 구성하였다.
Application Layer 부분은 산림바이오매스를 위한 활용부분으로서 지역별로 변화되는 산림바이오매스를 모니터링 하고, 사용자별 요구에 맞게 변화정보를 제공 할 수 있도록 구성하였다.
Fig. 7은 각 부분적 계층에 대한 소프트웨어 아키텍 쳐 구성도를 나타내었다.
5. 자료처리 프로세스 설계
산림바이오매스를 산출하고 관리하기 위하여 원시자 료 및 산림 바이오매스의 자료처리 프로세스를 정의하 였다. 자료처리 프로세스는 크게 자료 동기화/수집 부 분과 운영/관리 부분, 그리고 출력부분으로 구분한다.
자료동기화/수집 부분은 원시자료를 처리하는 부분 으로서 위성영상과 LiDAR 자료를 각 기관으로부터 수 집하고 이를 활용할 수 있도록 처리하는 부분으로 구성 되어 있다. 수치임상도는 백터기반의 자료이기 때문에 좌표여부만 확인하고 바로 자료 처리가 가능하도록 구 성하였다.
Figure 8. Forest biomass monitoring system processing 운영/관리부분은 기존의 구축되어진 산림바이오매스
DB와 신규로 수집된 원시자료를 이용하여 산림바이오 매스를 산출하는 부분으로 구성되어 있으며, 사전 연구 에서 도출되어진 산림바이오매스 산출 표준방법에 의 거하여 산림바이오매스를 추출하도록 구성하였다. 이 렇게 추출된 산림바이오매스는 기 구축된 산림바이오 매스와 비교를 통하여 변화량을 분석하고, 이를 유지관 리 할 수 도록 설계하였다.
출력부분은 산림바이오매스를 화면 또는 도면상으로 나타내는 부분으로서 사용자가 원하는 지역에 대하여 다양한 형태(주제도, 통계지도 등)로 자료를 표현하도 록 구성하였다.
Fig. 8은 산림바이오매스 자료처리 프로세스를 도식 으로 나타낸 것이다.
6. 산림바이오매스 활용 프로세스 설계
본 연구에서 설계하는 산림바이오매스 관리 및 모니 터링 시스템은 산림바이오매스 DB를 관리하는 것 뿐 만 아니라 다양한 기관에서 이산화탄소 배출권과 관련 된 업무에 활용되는 것을 목적으로 하고 있다. 따라서 다양한 기관에서 자료를 등록, 관리, 요청등의 업무를 복합적으로 수행할 수 있도록 산림바이오매스 활용서 비스 부분과 산림바이오매스 운영관리 서비스 부분으 로 구분하여 시스템을 설계하였다.
6.1 산림바이오매스 활용서비스
산림바이오매스 활용서비스 시스템은 산림바이오매 스의 현재 량과 변화정보 관리, 변화이력 정보 등을 검 색할 수 있도록 구성하였다. 또한 지자체 및 공공기관 의 목적에 따라 도시계획에 따른 산림바이오매스량 산 출과 개발사업에 따른 이산화탄소 배출권을 복합적으 로 관리할 수 있도록 구성하였다.
산림바이오매스 활용서비스는 크게 사업소개 부분, 산림바이오매스 DB 검색부분, 자료취합 부분, 산림바 이오매스 갱신부분, 도시계획정보 연계부분, 이산화탄 소 배출권 관리부분, 기타부분으로 구성하였다.
산림바이오매스 활용서비스에 대한 세부 클래스 명 세서는 Table 1과 같다.
6.2 산림바이오매스 운영관리 서비스
산림바이오매스 운영관리 서비스 시스템은 갱신되는 산림바이오매스를 체계적으로 관리하기 위한 기능이다.
따라서 세부기능으로는 외부에서 등록되는 산림바이 오매스에 대한 검수 여부를 관리하는 부분, 데이터를 검색하는 부분, 지도화면을 제어하는 부분, 자료에 대 하여 통계를 관리하는 부분, 각 기관에 자료를 요청하 는 부분, 그리고 마지막으로 시스템에서 사용하는 다양 한 코드를 관리하는 부분으로 구성하였다.
검수 부분의 경우 원시자료 및 외부에서 등록되는 산 림바이오매스DB에 대하여 검수를 수행하고, 해당 검수 결과를 등록함으로서 사용자 및 관리자에게 각각의 자
Function Class NO Class Name Detail
Current Information>For est Biomass DB
CL-RN-001 Rn001001Controller Controller Class for Forest Biomass DB
CL-RN-002 Rn001001VO Value Object Class to Control Forest
Biomass DB
Current Information>Con
necting DB
CL-RN-005 Rn002001Controller
Controller Class for Gathering /Connecting DB
CL-RN-006 Rn002001VO Value Object Class for Gathering /Connecting DB Current
Information>Re newal Data of Forest Biomass
CL-RN-013 Rn004001Controller
Controller Class for Renewal Data of
Forest Biomass Table 1. Specification of application service class
Function Class NO Class Name Detail
Examination CL-VI-002 VI001_nTx
Query Class for Inquiry of Examination List/History/Result
Backup Examination CL-VI-008 MODAL005 Class for Searching Attributes
Search Data
CL-VI-012 MODAL008 Class for Obejct Properties Screen
CL-VI-014 MODAL003 Class for Opening All Properties of Loaded
Data Map Control CL-VI-015 MODAL011 Class for Changing
Colors of Layers Information
Inquiry and Statistics Management
CL-DS-040 DM007_nTx Class for Query Related to Information
Inquiry
Data Request Management
CL-DM-044 DM005001 Class for Data Request Management
CL-DM-045 DM005_nTx Class for Query Related to Data Request Management Table 2. Specification of operation management class
료가 어떻게 등록되고 검수되었는지를 체계적으로 관 리할 수 있도록 구성하였다. 데이터 검색부분과 지도제 어부분의 경우 관리자가 지도화면에서 각각의 데이터 를 직접 선택하여 속성정보와 공간정보, 원시자료 처리 여부 등 다양한 업무를 추진할 수 있는 부분이며, 사용 자 편의성을 고려하여 설계하였다. 정보조회 및 통계 관리 부분은 시스템의 사용 통계부터 각 자료별 활용에 따른 통계를 수행할 수 있는 기능으로 설계하였다. 자 료요청 관리 부분은 각 기관 또는 지자체에서 산림바이 오매스와 관련하여 다양한 정보를 요청하면 이를 관리
기관에서 검색하고 빠른 시간안에 제공할 수 있도록 설 계하였다.
산림바이오매스 운영관리서비스에 대한 세부 클래스 명세서는 Table 2와 같다.
7. 기능별 시퀀스 다이어그램
각 기능별 클래스 명세서를 바탕으로 해당 기능에 대 한 시퀀스 다이어그램을 설계하였다. 시퀀스 다이어그 램은 단위 기능별 세부 프로세스를 정립하는 과정으로 서 단위 기능에 따른 프로그램 개발을 위한 세부 설계 과정을 나타낸다. 본 논문에서는 활용시스템 기능 중 활용도가 높을 것으로 판단되는 주요 기능에 대하여 기 재하였다.
7.1 산림바이오매스 표준 DB 검색
등록된 산림바이오매스는 일반적인 지도와는 다르게 특정한 주소정보로 검색하는 경우보다는 지역적 경계 로 활용되는 경우가 많다. 따라서 본 설계에서는 시군 구의 경계를 이용하여 자료를 검색할 수 있도록 설계하 였으며, 검색된 결과가 사용자의 요구에 맞게 지도 화 면에 표현할 수 있도록 설계하였다.또한 해당 데이터를 직접 다운 받아서 다른 데이터와 연계할 수 있도록 Shape 파일의 생성과 다운로드가 하나의 기능안에서 구현되도록 설계 하였다. 해당 기능에 대한 시퀀스 다 이어그램은 Fig. 9와 같다.
7.2 산림바이오매스 등록자료 검수
산림바이오매스를 체계적으로 관리하기 위하여 신규 로 구축되어지는 산림바이오매스 DB의 검수는 관리자 에게 매우 중요한 업무라 할 수 있다. 따라서 시스템 상 에서 시스템에 탑재되어질 산림바이오매스 DB를 검수 하고, 시스템에 탑재 여부 및 활용여부를 판단할 수 있 는 검수 기능을 설계하였다. 해당 기능에 대한 시퀀스 다이어그램은 Fig. 10과 같다.
Figure 9. Sequence diagram of biomass data search
Figure 10. Sequence diagram of biomass data search
Figure 11. Class diagram of biomass data monitoring
8. 기능별 클래스 다이어그램
클래스 다이어그램은 클래스 명세서를 기준으로 각 기능에 대한 세부 클래스를 개발하기 위한 표준화된 설 계 방법이다. 따라서 본 연구에서는 산림바이오매스 모 니터링 시스템에 구성되어야 할 세부클래스에 대하여 설계를 진행하였다.
8.1 산림바이오매스 변화정보 검색
산림바이오매스를 외부기관에서 등록하면, 기 구축 된 산림바이오매스와의 변화량을 분석하고, 변화된 정 보를 검색할 수 있도록 구성하는 기능에 대하여 세부 클래스를 설계하였으며, 클래스 설계에 따른 다이어그 램은 Fig. 11과 같다.
9. 결 론
본 연구는 고해상도 위성영상과 LiDAR 자료를 활용 한 산림바이오매스 최적 산정공정을 기반으로 다양한 지역에 대한 산림바이오매스를 추출할 수 있는 표준시 스템과 이를 활용할 수 있는 활용시스템을 설계하였으 며, 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 격자형태의 산림바이오매스 Database 및 주제 도를 설계하고 제작함으로서 사용자의 요구에 따른 다 양한 정보를 표현할 수 있는 방안을 제시할 수 있었다.
둘째, 산림바이오매스 산정 최적 공정을 이용하여 자 료처리 및 산림바이오매스 산출을 위한 시스템을 설계 함으로서 산림바이오매스를 산출할 수 있는 실질적 방 안을 제시할 수 있었다.
셋째, 산림바이오매스 활용 시스템을 설계함으로서 각 기관에서 자료를 등록하고, 이를 관리하며, 사용자 의 요구에 따라 다양한 자료를 처리할 수 있는 방안을 제시할 수 있었다.
감사의 글
이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 창의적연구사 업 연구임(No. 2012M4A2026725).
본 연구는 2012년 한국항공우주원 “위성정보 공공활 용사업”의 연구비를 지원받아 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.
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