Comparative Analysis of Terrain Slope Using Digital Map, LiDAR Data

서 1. 론

자연환경 중 지형에 대한 폭넓은 이해는 인간의 활동에 의해 나타나는 주거 토지이용 및 교통 등의 인문 활동의 , 중요한 요소로써 개인 및 국가를 막론하고 현대사회의 고도화 및 산업화에 따라 지리현상을 체계적으로 이해하 고 활용하고자하는 노력이 증가하고 있다 이처럼 인간 . 생활에 필요한 지형정보를 효율적으로 활용하기 위해서는 지형을 공간과 연계하여 지리적 객체(geographic object)로

표현할 필요성이 있다 일반적으로 지리적 객체 . 인 지형정 보를 나타내는 방법으로 도형정보(graphic information) 와 속성정보 (attribute information) 가 있으며 전자는 차 , 2 원 및 3 차원 공간좌표로 표현하여 시각화될 수 있는 DEM(Digital Elevation Model) 및 DSM(Digital Surface 과 연속지적도등의 도형정보를 말하고 후자는 이 Model)

들 도형정보의 지리적 객체와 관련된 다양한 정보를 의 미한다 이처럼 도형과 속성자료는 공간상에 존재함으로 . 공간정보 (spatial information) 라 할 수 있으며 이들 공간

년 월 일 접수 년 월 일 채택

2007 9 7 , 2007 10 1

* 정회원 충남대학교 토목공학과 교수 ･ ([email protected])

** 정회원 충남대학교 토목공학과 조교수 ･ ([email protected])

*** 교신저자 충남대학교 토목공학과 박사과정 ･ ([email protected])

**** 충남대학교 교육대학원 석사 ([email protected]) 연구논문

수치지형도와 LiDAR 데이터를 이용한 지형경사도 비교분석

Comparative Analysis of Terrain Slope Using Digital Map, LiDAR Data

강준묵* ･ 윤희천** ･ 민관식*** ･ 이원영****

Kang, Joon Mook ･ Yoon, Hee Cheon ･ Min, Kwan Sik ･ Rhee, Won Yong

要 旨

최근 인간의 활동에 의해 나타나는 인문 활동의 중요한 요소로써 지리현상을 체계적으로 이해하고 활용하고자하는 노력이 증가하고 있다 이를 위해 지형을 공간과 연계하여 표현할 필요성이 있으며 특히 수치표고모형을 활용한 . , 지형분석의 기술은 지형에 대한 정밀한 수치표고모형을 생성하여 고품질의 차원 지형정보가 필요한 분야에서 3 신속하고 정확하게 지표면에 대한 표고 및 경사도에 대한 정보의 제공이 가능하게 되었다 본 연구에서는 라이다측 . 량 데이터를 활용해 대상지역에 대한 좀 더 정밀한 수치표고모형을 만들어 기존의 축척 1:1000 인 수치지형도와의 비교를 통한 정량적 분석을 실시하였다 라이다 데이터에 의해 생성된 수치표고모형 자료를 이용하여 지형경사도를 . 분석한 결과 대상지역 및 주변의 경사도를 비교적 상세하게 표현할 수 있었으며 표고 해석 결과도 라이다 데이터를 , 활용한 분석이 수치지형도를 이용한 분석보다 대상지역 및 주변의 표고를 비교적 상세하게 표현할 수 있었다 .

핵심용어 : 수치표고모형 라이다 차원 지형 수치지형도 , , 3 ,

Abstract

Recently, the efforts of systematic understanding and utilization of geographic phenomenon for human life as a important factor among activity of mankind are increasing. It is necessary to express topography connected with space. Especially, the technology of geographic analysis using DEM can supply the information rapidly and accurately about elevation and terrain slope of the subject area under the necessity of high 3D quality geographic information.

In this study, creating more precise DEM derived from LiDAR data, quantitative analysis on the subject area about elevation and terrain slope is done under comparison with Digital Topographic map Scale 1:1000. LiDAR data is more detailed than Digital Topographic map to express the elevation of the subject area (39.89~77.48m), and terrain slope by analysis using DEM derived from LiDAR data come out minutely about 90%. It can be concluded that the LiDAR data is very applicable and accurate for 3D topographic terrain slope analysis.

Keywords : DEM, 3D, LiDAR, DSM, Digital Topographic map

정보를 관측하고 자료를 수집 분석 및 출력을 위해서는 , 지형정보시스템을 필요로 한다 이러한 지형 관련 정보 . 의 활용에 있어서 중요한 요소가 되는 것은 다양한 지형 정보를 어떻게 과학적이고 체계적으로 수집 및 분석을 통한 정보의 제공과 이를 활용함으로써 지형에 대한 효 용을 극대화 하고 어떻게 하면 인간생활의 질을 향상시 키기 위한 유용한 정보를 제공할 수 있는가 하는 것이다.

지리정보체계 기술은 고도산업 사회의 변화에 따라 지 형정보의 다양한 분야에서 활용 및 이용 증가로 이어졌으 며 특히 , DEM 을 활용한 지형분석의 기술은 최근 측량에 도입되어 이용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템을 바탕으로 획득된 데이터를 이용하여 지형에 대 한 정밀한 DEM 을 생성하여 고품질의 차원 지형정보가 3 필요한 분야에서 신속하고 정확하게 지표면에 대한 표고 및 경사도에 대한 정보의 제공이 가능하게 되었다.

을 이용한 지형경사도의 분석은 국내 및 외국의 DEM

경우 집수유역 및 지형경사에 따른 수문해석을 위한 모 델 인자로써 지리정보체계의 응용으로 연구된 사례가 있 으며 구체적으로 국내 연구동향을 살펴보면 양인태 등 , 은 격자의 크기가 유역의 경사 분석에 미치는 영향 (1997)

을 분석하기 위해 100m 및 10m 간격으로 격자를 만들어 지형의 경사도 분석을 실시하여 수문해석에서 지형의 경 사도 분석 결과는 수질예측이나 수량예측에 매우 중요한 영향을 미친다고 하였으며 강준묵 등 , (2006) 은 기존의 지 형도를 이용한 경사 분석의 한계를 극복하고 최신 측량 기술인 LiDAR 시스템의 데이터를 활용해 지형의 경사도 를 분석하여 LiDAR 에 의한 지형경사도의 분석 가능성을 보여 주었다 지형의 경사도 분석을 위한 차원 공간정보 . 3 구축 방법으로 사용한 LiDAR 의 경우 지형이나 다른 표 면과 관련된 형상을 해석하고 보여줄 수 있도록 모형화 하는 기능을 가지고 있어 경사도 분석에 그 활용 가능성 을 보여주고 있다 . DEM 을 이용한 지형의 경사도분석에 관한 외국의 연구동향으로는 삼차 허미트 함수를 이용한 보간법을 사용하여 DEM 을 생성하여 등고선을 시각적으 로 분류하고 지형경사에 따른 배수선을 표기하였으며

등 로부터 획득된 데이터를

(Ardiansyah , 2002), LiDAR

이용하여 표고와 지표 경사도를 평가한 연구가 이루어진 바 있다 (Michael 등 , 2005). 이처럼 LiDAR 데이터를 이 용한 수치지형모형은 지형 또는 표면과 관련된 형상을 해석하고 보여줄 수 있도록 모형화 하는 기능을 가지고 있어 대상지의 지형 및 경사도 해석에 그 활용 가능성을 보여주고 있다.

따라서 본 연구에서는 차원적인 지형경사도 분석을 3

위해 이러한 LiDAR 데이터를 활용해 대상지의 지형해석 에 있어서 좀 더 정밀한 DEM 및 DSM 을 만들어 연구대 상 지역의 표고 (height) 및 경사도 (slope) 를 분석하고 기 존의 축척 1:1000 인 수치지형도와의 비교를 통한 정량적 분석을 실시하여 지형경사도의 정보로써의 정확도 향상 및 과학적 분석을 도모 하는데 그 목적이 있다.

연구방법 2.

본 연구에서는 대상지역의 차원 위치정보를 획득하여 3 수치표고모델을 생성하여 이를 기반으로 지형의 표고 및 경사도를 입체적으로 분석할 수 있는 방안을 연구하였으 며 본 연구의 내용으로는 지형정보로 사용하는 각기 다 , 른 유형의 LiDAR 데이터에 의해 생성된 DEM 및 DSM, 디지털항공정사사진 및 축척 1:1000 수치지형도 등의 지 형정보들에 대한 정량적 또는 정성적 분석을 통해 연구 대상지역의 차원 지형정보를 입체적으로 구축하여 활용 3 하고자 하였다 지형경사도 해석을 위한 지형정보 구축 . 의 공간적 범위는 대전광역시 유성구 궁동 일원의 독립 된 야산으로 디지털 항공정사사진 및 축척 1:1000 수치 지형도를 이용하여 선정한 후 육안 및 직접 현지조사를 통하여 도형정보의 확인 및 정성적 분석을 실시하였다.

또한 해당지역의 원시 , LiDAR 데이터를 확보하여 본 연 구에 사용하기 위한 DEM 의 추출은 상용소프트웨어인 을 이용하여 조정 필터링 및 분류과정을 거쳐 Terrascan ,

대상 지역이 포함된 차원 지형 데이터인 3 DEM 및 DSM 을 입체적으로 제작하여 정량적 분석을 실시하였다 지 . 상 위에 존재하는 모든 지물과 지형을 함께 나타내는 과 수목 및 건물 등을 제거하고 순수한 지형으로만 DSM

구성된 DEM 으로 구분한 차원 지형정보의 구축은 지형 3 의 입체적 분석을 의미하며 이는 기존의 측량 방법과 더 불어 최신 측량기술인 항공 LiDAR 측량을 활용하여 시스템에서 획득한 및 으로부터 연구

LiDAR DEM DSM

지역에 대한 정확한 지형을 도출하여 지형의 경사도를 분석에 있어 신뢰성을 확보 하고자 하는 의도이다 또한 . 축척 1:1000 수치지형도의 지형경사도 분석을 실시하여 시스템에서의 지형경사도와의 정확도 비교를 통 LiDAR

한 정량적 분석을 실시한다 그림 은 디지털 항공정사사 . 1

진 , DEM, DSM 및 수치지형도를 연계하여 구축한 지형

정보 데이터의 지형경사도 분석에 관한 연구수행 흐름도

를 나타낸 것이다.

자료획득 및 처리 3.

지형경사도 분석을 위한 연구 대상지로 선정된 곳은 데이터 취득이 이루어진 대전광역시 유성구 궁동 LiDAR

일원의 독립된 야산을 선택하여 지형경사도 분석을 실시 하였다 현지조사 및 축척 . 1:1000 수치지형도 분석결과 대상지역은 평지로 이루어졌으며 평지로부터 정상까지 의 표고 차는 약 35m 이고 남동 방향 및 북서쪽의 경사도 는 비교적 완만한 모습을 보이고 있으며 남서 및 북동쪽 , 은 가파른 경사도를 보이고 있다 본 연구를 수행하기 위 . 해 우선 LiDAR 측량을 실시하여 획득한 원시 데이터와 해당지역의 축척 1:1000 수치지형도 및 항공사진측량 사 진을 확보하였다 그림 는 대상지역의 디지털항공사진 . 2 을 보여주고 있다 또한 항공정사사진에 의한 정성적 해 . , 석을 실시하여 지형해석에 필요한 표본추출을 실시하고 확보된 원시 LiDAR 데이터는 상용소프트웨어인 Terra-

을 이용하여 원시 데이터로부터 대상 지역

Model LiDAR

이 포함된 주변의 데이터를 분류하여 DEM/DSM 을 생성 하였다.

및 구축

3.1 DEM DSM

데이터는 차원 좌표를 가지고 있는 점들의 집 LiDAR 3

합이다 본 연구에서는 대전시 유성구 궁동 일원의 임의 . 야산을 선정하여 LiDAR 데이터로부터 격자 크기 1m×1m 의 크기로 실제 지형과 흡사하게 고정밀의 DEM/DSM 을 제작하였다 그림 은 . 3 DEM/DSM 생성 흐름도 및 대상지 역의 DEM/DSM 을 나타내고 있다 .

수치지형도 획득 및 처리 3.2

수치지도제작 (Digital Mapping) 이란 일반적으로 자동 화된 컴퓨터의 화상처리 기술을 이용하여 중대축척인 지 ․ 형도나 현황도를 작성하여 수치화하는 작업을 말하는 것 으로 이러한 정보들을 항목 (layer) 별로 구분하여 데이터 베이스화하고 이용 목적에 따라서 지도를 자유로이 작성 할 수 있도록 전산화한 지도이다 현재 우리나라에서 제 . 작되고 있는 수치지도는 국토 지형자료 데이터베이스의 구축을 용이하게 하고 자료의 호환성을 확보하기 위하여 수치지도작성 작업규칙에 근거하여 도엽코드 레이어코 , 드 및 지형코드로 구분하여 표준코드를 바탕으로 제작하 고 있다 수치도화는 주로 항공사진으로부터 수치지도를 . 작성하는 것을 지도입력은 스캐너나 디지타이저에 의하 , 여 기존지도를 수치화하는 것을 나타낸다 그림 는 연구 . 4 대상지역의 축척 1:1000 수치지형도 및 수치지형도를 이 용하여 추출한 대상지역의 DEM/DSM 을 보여주고 있다 . 그림 1. 연구수행 흐름도

그림 2. 연구대상지역의 디지털항공사진 그림 3. DEM/DSM 생성 흐름도

지형경사도 분석 4.

본 연구의 목적을 달성하기 위하여 대전광역시 유성구 궁동 지역의 독립된 야산을 연구대상지역으로 선정하여 데이터베이스를 구축하였다 먼저 연구대상지역의 원시 . ,

데이터를 획득하여 상용소프트웨어인

LiDAR TerraModel

을 이용하여 대상 지역이 포함된 주변의 데이터를 분류 하여 DEM/DSM 을 생성하였다 대상지역에 포함된 면적 . 은 대략 625000m

로 격자 크기 1m×1m 의 DEM 을 제작 하여 사용하였다 또한 대상지역의 축척 . , 1:1000 수치지 형도를 확보하여 DEM 을 생성하여 LiDAR 와 비교하여 지형의 경사도를 분석하여 보았다.

지형해석을 수행하기 위한 기초자료로써의 표고해석 은 LiDAR 자료로부터 생성된 DEM 을 기반으로 하였으 며 이는 연구 대상지역의 정상 (peak), 능선 (ridge-line), 비 탈 (slope) 및 급경사 (break) 등의 지형적 특징점 들을 가지 고 TIN(Triangulated Irregular Network) 을 형성하고 B-

보간 기법을 이용하여 정밀

spline DEM 을 생성하였다 .

지형에서의 경사도는 수평면에 접하는 면으로 정의 되며

표고의 변화율인 기울기를 경사 (slope) 라 하고 최대표고 변화율이 나타나는 방향을 경사방향 (aspect) 이라 한다 . 데이터에 의해 생성된 의 자료를 이용하여

LiDAR DEM

경사도 및 경사방향을 해석하였다 그림 는 경사도분석 . 5 을 위한 LiDAR DEM 을 보여주고 있으며 그림 은 경사 , 6 도분석을 위한 수치지형도 DEM 을 보여주고 있다 .

라이다를 이용한 경사도 분석 4.1

표고 분석 4.1.1

지형경사도 분석에 있어 표고 해석은 LiDAR 자료로부 터 생성된 DEM 을 기반으로 하였으며 표고분석 결과 데이터를 활용한 분석에서는 대상지역 및 주변의 LiDAR

표고를 39.89~77.48m 로 비교적 상세하게 표현할 수 있었다 . 연구 대상지역에서 평지부분은 전체면적 (624,795.219m

)중 64.60%(4.3,593.706m

)의 비율을 보이고 있으며 주변부 야 , 산의 경우 표고 50~60m 이하에서 27.56%(172,207.465m

) 표고 60~70m 이하에서 5.87%(36,696.551m

) 의 비율 을 보였다 . 또한 , 70~77.5m 이하의 표고에서는 1.97%

(12,300.498m

) 비율을 보이고 있는 것으로 확인되었다 . 그림 4. 수치지형도를 이용하여 추출한 대상지역의 DEM/DSM

그림 5. 경사도 분석을 위한 DEM(LiDAR) 그림 6. 경사도 분석을 위한 DEM( 수치지형도 )

그림 은 대상지역의 7 DEM 을 나타내고 있으며 표 은 생 1 성된 DEM 으로부터 해석한 표고에 따른 면적 및 비율을 나타낸 것으로 대상지역 및 주변의 표고를 비교적 상세 하게 표현할 수 있었으며 표고에 따른 대상 면적도 쉽게 획득할 수 있었다.

경사도 분석 4.1.2

지형에서의 경사도는 수평면에 접하는 면으로 정의되 며 LiDAR 데이터에 의해 생성된 자료를 이용하여 지형 의 경사도를 해석한 결과 대상지역 주변의 경사도를 90%

이하 까지도 비교적 상세하게 표현할 수 있었다 연구 대 . 상지역에서 10% 이하 경사도가 전체면적 (639,047.1m

) 중 61%(389,838.7m

) 의 비율 을 보이고 있으며 주변부 야산 , 의 경우 경사도 10~20% 이하에서 17.49%(111,781.3m

), 20~40% 이하에서 11.75%(75,088.0m

), 40~60% 이하에 서 6.47%(41,371.2m

), 60~80% 이하에서 2.64% (16,886.1m

)

의 비율을 보였다 또한 . , 80~100% 이하의 표고에서는 0.64%(4,081.8m

) 비율을 보이고 있는 것으로 확인되었 다 그림 은 대상지역의 . 8 LiDAR 경사도를 나타내고 있 다 표 는 대상지역의 경사도 해석을 나타내고 있으며 . 2 해당 경사 면적 및 비율도 함께 표기 하였다.

수치지형도를 이용한 경사도 분석 4.2

표고 분석 4.2.1

수치지형도를 이용한 지형경사도를 분석하기 위해 먼 저 DEM 을 수치지 형도에서 추출하여 대상지역 및 주변의 표 고를 42~77m 로 표현할 수 있었다 연구 대상지역에서 평지부 . 분은 전체면적 (625,852.019m

) 중 62.88%(393,544.936m

)의 비율을 보이고 있으며 주변부 야산의 경우 표고 , 50~60m 이하에서 28.15%(176,187.473m

) 표고 60~70m 이하에 서 6.65%(41,627.104m

) 의 비율을 보였다 또한 . , 70~77m 이하의 표고에서는 2.32%(14,492.506m

) 비율을 보이고

그림 7. 대상지역의 LiDAR DEM 그림 8. 대상지역의 LiDAR 경사도 표 1. DEM 으로부터 해석한 표고에 따른 면적 및 비율

표고(m) 39.89~49.99 50~59.99 이하 60~69.99 이하 70~77.48 이하

계

면적(m

) 403,593.7055 172,207.4654 36,696.5506 12,300.4975 624,795.219

비율(%) 64.60 27.56 5.87 1.97 100

표 2. 경사도에 따른 면적 및 비율 경사도

(%)

10 이하 10~20 이하 20~40 이하 40~60 이하 60~80 이하 80~100 이하

계

면적(m

) 389,838.7 111,781.3 75,088.0 41,371.2 16,886.1 4,081.8 639,047.1

비율(%) 61.00 17.49 11.75 6.47 2.64 0.64 100

있는 것으로 확인되었다 그림 는 대상지역의 수치지형 . 9 도에 의한 DEM 을 나타내고 있으며 표 은 생성된 3 DEM 으로부터 해석한 표고에 따른 면적 및 비율을 나타낸 것 으로 대상지역 및 주변의 표고가 LiDAR 데이터에 의해 생성된 자료와 비교해 볼 때 표고에 따른 면적 및 비율에 있어서 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다.

경사도 분석 4.2.2

수치지형도에서의 지형 경사도는 수평면에 접하는 면으 로 정의되며 데이터에 의해 생성된 자료를 이용하여 지형 의 경사도를 해석하였으며 연구 대상지역에서 10% 이하 경사도가 전체면적(634,809.5m

) 중 77.08%(489,330.6m

) 의 비율을 보이고 있으며 주변부 야산의 경우 경사도 , 10~20% 이하에서 6.87% (43,591.3m

), 20~40% 이하에 서 9.26%(58,793.0m

), 40~60% 이하에서 4.42%(28,040.7m

), 60~80% 이하에서 1.86%(11,833.5m

) 의 비율을 보였다 . 또한 , 80~100% 이하의 표고에서는 0.51%(3,220.4m

) 비

율을 보이고 있는 것으로 확인되었다 그림 . 10 은 대상지 역의 수치지형도에 의한 경사도를 나타내고 있다 표 는 . 4 대상지역의 경사도 해석을 나타내고 있으며 해당 경사 면적 및 비율도 함께 표기 하였다 .

표고 및 경사도 비교분석 4.3

자료로부터 생성된 을 기반으로 한 표고

LiDAR DEM

분석 결과 대상지역 및 주변의 표고를 39.89~77.48m 까지 나타낼 수 있었으며 수치지형도에서 추출한 표고는 , 42~

가지 표현할 수 있었다 그림 은 대상지역의 표고

77m . 11

에 따른 면적비율로 표고 40~50m 에서는 LiDAR 에 의한 면적 비율이 수치지형도에 의한 면적 비율보다 약간 큰 것으로 나타났으며 50~80m 표고에서는 수치지형도에 의 한 면적비율이 LiDAR 에 의한 면적보다 약간 높은 것으 로 나타났다 그림 . 12 는 대상지역의 경사도에 따른 면적 비율로 10% 이하에서는 수치지형도에 의한 면적비율이

에 의한 면적보다

LiDAR 0.6%(4,237.6m

) 큰 것으로 나

그림 9. 대상지역의 수치지형도 DEM 그림 10. 대상지역의 수치지형도 경사도

표 3. DEM 으로부터 해석한 표고에 따른 면적 및 비율 표고

(m)

42.00~49.99 50~59.99 이하 60~69.99 이하 70~77.00 이하

계

면적(m

) 393,544.9355 176,187.4728 41,627.1039 14,492.5064 625,852.0186

비율(%) 62.88 28.15 6.65 2.32 100

표 4. 경사도에 따른 면적 및 비율 경사도

(%)

10 이하 10~20 이하 20~40 이하 40~80 이하 60~80 이하 80~100 이하

계

면적(m

) 489,330.6 43,591.3 58,793.0 28,040.7 11,833.5 3,220.4 634,809.5

비율(%) 77.08 6.87 9.26 4.42 1.86 0.51 100

타났으나 10~90% 에서는 수치지형도의 면적이 LiDAR 에 의한 면적보다 작은 것으로 나타났다.

결 5. 론

본 연구에서는 지형정보를 과학적이고 입체적으로 분 석하기 위하여 LiDAR 데이터에 의한 지형경사도 분석을 실시하였다 . LiDAR 를 이용해 구축된 DEM/DSM 으로 지

형의 정성 및 정량화 분석을 실시하고 수치지형도와의 비교를 통해 지형정보의 정합성을 검증하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

첫째 지형경사도를 분석하기 위한 , 표고 해석 결과 데이터를 활용한 분석은 축척 수치지형도

LiDAR 1:1000

를 이용한 분석보다 대상지역 및 주변의 표고를 39.89~

로 비교적 상세하게 표현할 수 있었다

77.48m .

둘째 , LiDAR 데이터에 의해 생성된 DEM/DSM 자료 를 이용하여 지형경사도를 분석한 결과 대상지역 및 주 변의 경사도를 90% 이하까지도 비교적 상세하게 표현할 수 있었으며 경사도 면적에 있어서도 , LiDAR 데이터에 의한 분석(639,047.1m

) 이 수치지형도를 이용한 분석 (634,809.5m

) 보다 0.6%(4,237.6m

) 크게 나타난 것으로 확인되었다 .

본 연구의 활용 및 추후 과제로는 LiDAR 의 지형경사 도 분석에 연계하여 다른 지형정보와의 연결 및 활용에 대해서도 연구가 필요할 것으로 보이며 특히 가시성해석 및 식생의 분포에 있어서도 LiDAR 데이터에 의해 생성 된 지형경사도를 활용하면 좋을 것으로 사료된다 .

참고문헌

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0 10 20 30 40 50 60 70

40 50 60 70 80

표고(m)

면적비율(%)

LiDAR Digital Map

그림 11. 대상지역의 표고에 따른 면적비율

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 10 20 40 60 80 100

경사도(%)

면적비율(%)

LiDAR Digital Map

그림 12. 대상지역의 경사도에 다른 면적비율