A tool development for forced striation and delineation of river network from digital elevation model based on ModelBuilder
Choi, Seungsoo
aㆍKim, Dongsu
b*ㆍYou, Hojun
ca
Member, Department of Water and Sewage, Dongmyung Engineering, Seoul, Korea
b
Associate Professor, Department of Civil & Environmental Engineering, Dankook University, Yongin, Korea
c
Research Professor, Department of Civil & Environmental Engineering, Dankook University, Yongin, Korea
Paper number: 18-029
Received: 19 April 2018; Revised: 8 July 2019 / 24 July 2019; Accepted: 24 July 2019
Abstract
Geospatial information for river network and watershed boundary have played a fundamental roles in terms of river management, planning and design, hydrological and hydraulic analysis. Irrespective of their importance, the lack of punctual update and improper maintenance in currently available river-related geospatial information systems has revealed inconsistency issues between individual systems and spatial inaccuracy with regard to reflecting dynamically transferring riverine geography. Given that digital elevation models (DEMs) of high spatial resolution enabling to reproduce precise river network are only available adjacent to national rivers, DEMs with poor spatial resolution lead to generate unreliable river network information and thereby reduce their extensible applicabilities. This study first of all evaluated published spatial information available in Korea with respect to their spatial accuracy and consistency, and also provides a methodology and tool to modify existing low resolution of DEMs by means of striation of conventional or digitized river network to replicate input river network in various degree of further delineation. The tool named FSND was designed to be operated in ArcGIS ModelBuilder which ensures to automatically simulate river network striation to DEMs and delineation with different flow accumulation threshold. The FNSD was successfully validated in Seom River basin to identify its replication of given river network manually digitized based on recent aerial photograph in conjunction with a DEM with 30 meter spatial resolution. With the derived accuracy of reproducibility, substantiation of a various order of river network and watershed boundary from the striated DEM posed tangible possibility for highly extending DEMs with low resolution to be capable of producing reliable riverine spatial information subsequently.
Keywords: River network, DEM, Striation, Delineation, ModelBuilder
모델빌더 기반 하천망의 DEM 각인 및 추출 툴 개발
최승수
aㆍ김동수
b*ㆍ유호준
ca
동명기술공단 사원,
b단국대학교 토목환경공학과 부교수,
c단국대학교 토목환경공학과 연구교수
요 지
하천망과 유역 등 하천 네트워크 관련 공간자료는 각종 하천관리, 하천계획 및 설계, 수리수문학적 해석 등의 근간을 이루는 기초자료로 활용되고 있다.
기존 RIMGIS 등에서 제공하는 하천정보도 현행화 및 적절한 관리 부족으로 공간정보시스템간 불일치와 실제 하천지형과 이격이 나타나고 있는 실정이 다. 또한, 고해상도 수치지형도(DEM)이 국가하천 주변 등 일부 지역에서만 제공되어, 저해상도 DEM으로부터 추출된 하천네트워크 정보의 신뢰도가 낮 고 가용한 기수립 하천네트워크 정보와의 불일치는 DEM 기반 다양한 하천정보 추출 및 탄력적 활용을 저하시키고 있는 실정이다. 본 연구에서는 우선 국 내 하천공간정보시스템이 제공하는 하천망 정보의 공간정확도, 정보체계간 일치성 등을 평가하고, 낮은 해상도의 DEM에 기수립된 하천망을 DEM에 강 제로 각인시키는 방법으로 DEM을 개선하여 추후 하천망 혹은 유역 추출 시 기수립 하천망 혹은 유역대로 재현이 가능하게 하여 하천분야에 DEM의 활 용성을 높일 수 있는 방법론과 소프트웨어(Forced river Network Striation and Delineation tool: FNSD)을 개발하고자 하였다. 개발된 FNSD는 ArcGIS의 ModelBuilder에서 순차적으로 관련 모듈을 연계시켜 자동화되도록 설계되었고, 한강수계의 섬강 유역에 시범 적용되었으며 항공사진 정보 를 기반으로 수작업을 통해 도출된 하천망을 기수립 하천망으로 간주하여 30 m 저해상도 DEM에 각인시켜 하천망을 재추출한 후 주어진 기수립 하천망 과 비교하여 재현 정확도를 검토하였다. 섬강유역에 적용한 결과 FNSD는 기수립 하천망을 정확하게 재현할 수 있음을 확인하였다. 이러한 검증결과는 각 인된 DEM이 다양한 차수의 하천망 및 유역을 신뢰성 있게 재현할 수 있어 저해상도 DEM의 하천활용도를 높이는데 기여할 가능성이 있음을 의미한다.
핵심용어: 하천망, 수치지형도, 각인, 추출, 모델빌더
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*Corresponding Author. Tel: +82-31-8005-3611
E-mail: [email protected] (D. Kim)
1. 서 론
수리수문분야에서 수치지형도(Digital Elevation Model:
DEM)는 국가 하천정보관리의 근간을 이루는 주요 공간정보 로 지형분석과 함께 하천망, 차수도, 횡단면, 집수구역, 유역 등 하천네트워크 관련 공간정보를 추출하여 수리수문 수치모 델링, GIS 기반 물환경정보 분석 모듈 개발, 하천수질관리, 하 천계획 및 설계 등에 다양하게 활용되고 있다(Chae et al., 2003; Park et al., 2017). 하천망을 비롯한 하천네트워크 정보 는 일반적으로 DEM 기반 자동 추출 알고리즘 적용을 통해 확 보하고, 필요한 경우 수작업을 통해 수정하는 과정을 거쳐 완 료된다. 사용자는 하천네트워크 정보를 설정된 누적흐름 가 중치에 따라 하천망 밀도를 탄력적으로 변경시키면서 추출할 있는 장점이 있다(Maidment, 2002, Tarboton and Ames, 2001). DEM의 품질은 추출되는 정보의 정확도를 좌우하므 로 고정밀도 및 고정확도 DEM일수록 바람직하고, 지형이 침 식 및 퇴적과정과 인위적인 개발 등을 통해 지속적으로 변형 되므로 DEM 및 이에 따른 하천네트워크 정보의 주기적인 현 행화가 필요하다. 이와 병행하여 지형에 따른 강우-유출방향 을 정교하게 고려하여 실제 지형과 유사한 하천망과 유역의 도출을 위해 GIS 기반 하천망 및 유역 추출 알고리즘 자동화 및 개선 노력도 있어 왔다(Maidment, 2002; Tarboton and Ames, 2001; Kim, 2008, Jung and Kim, 2003). 그러나, 근본 적으로 정확한 고해상도 DEM의 사용이 추출되는 하천망의 정확도를 좌우하므로 하천망 추출 알고리즘 개선보다 DEM 개선이 더욱 중요하여 지형 계측방식의 고도화를 통해 고해상 도 DEM을 확보하는 노력이 진행되고 있다(Park and Kim, 2011; Choi et al., 2013; Jung et al., 2013, Kim et al., 2016a;
Lee et al., 2005). 예를 들어, 국가하천 인근 등 관리 중요도가 높은 일부 지역에서 cm 단위의 공간해상도를 제공하는 LiDAR 가 활용되기 시작했고(Lee, 2013; Jo et al., 2012; Hwang and Jung, 2012), 위성 혹은 드론 등 항공 영상을 활용한 SfM기법을 갈수기에 적용하여 하도내 수심측량 결과를 결합하는 하천구 역 내 고해상도 DEM을 확보하려는 영상기반 기법도 활용되 고 있다(Yeo et al., 2016). 그러나, 중소하천을 포한한 국토 전역에 걸쳐 LiDAR 등을 활용하여 정밀 DEM 측량을 수행하 기에는 예산 등 여러 측면에서 한계가 있어, 고정밀도 DEM은 주요 국가하천 주변을 포함한 국지적인 영역에 머물고 있어 유역 전체를 포함하는 고해상도 DEM 구축 및 현행화가 부족 한 현실이다(Lee, 2013; Kim et al., 2016b). 따라서, 비록 고정 밀도 DEM 생성 기술이 급격히 발달하고 있지만 대부분의 지 방하천에서는 저해상도 DEM이 수자원 연구 및 실무에 여전
히 활용되고 있는 실정이다. 물론, 저해상도 DEM을 하천정비 기본계획 수립 시 측량된 하천단면 등을 반영하여 정밀화시키 는 연구를 수행하는 등 일부 개선의 노력은 있으나(Kim et al., 2016a), 저해상도 DEM은 추출된 하천망을 비롯한 하천네트 워크 정보의 정확도 확보에 근본적인 한계를 내포하고 있다.
실무에서는 일반적으로 DEM에서 추출하는 대신 기수립 된 하천네트워크 정보를 직접 활용할 있다. 현재 국내에서 가용 한 하천네트워크 공간정보는 국가수자원관리종합정보시스 템(WAMIS, http://www.wamis.go.kr/), 하천관리지리정보시스 템(RIMGIS, https://www.river.go.kr/), 물환경정보시스템 (Korea Reach File, 이하 KRF, http://water.nier.go.kr/front/
riverNetwork/riverNetwork.jsp) 등에서 하천망도, 하천차수 도, 유역도, 집수구역 등에서 제공되고 있다. 그러나, 가용한 하천네트워크 정보는 낮은 공간정확도, 현행화 부족, 시스템 간 상호 불일치 등의 문제가 제기되고 있는데, 본 논문에서는 구체적인 사례를 통해 이러한 문제들을 확인하였다.
이러한 문제로 DEM를 통해 하천네트워크 정보를 재추출해 야 하는 상황에서 저해상도 DEM만 가용한 경우, 추출된 하천네 트워크 정보의 낮은 신뢰도는 DEM 기반 다양한 하천정보 추출 및 탄력적 활용을 저하시킬 수 있다. 고해상도 DEM이 없는 대 부분의 지방하천의 경우, 기존 하천네트워크 정도에 의존하는 방법외에 대안이 없다는 데 문제가 있다. 이런 측면에서, 저해상 도 DEM을 활용하더라도 신뢰할만한 하천네트워크를 추출할 수 있도록 DEM을 개선할 수 있다면 하천 분야로의 활용성을 보장할 수 있는 방법론의 수립은 의미가 있다고 볼 수 있다.
본 연구의 목적은 낮은 해상도의 DEM에 항공사진으로부 터 디지타이징한 정확도가 높은 하천망 혹은 국가 하천공간정 보체계에서 제공하는 기수립된 하천망을 DEM에 강제로 각 인시키는 방법으로 DEM을 변경하여 추후 하천망 혹은 유역 추출 시 기수립 하천망 혹은 유역대로 재현이 가능하게 하여 하천분야에 DEM의 활용성을 높일 수 있는 방법론과 소프트 웨어(Forced river Network Striation and Delineation tool:
FNSD)을 개발하는 데 있다. 개발된 소프트웨어(FNSD)는 기 수립 하천망을 주어진 DEM에 각인하여 개선하는 부분과 하 천 누적흐름 가중치를 가변적으로 적용하여 다양한 차수와 크기의 하천망과 유역을 각각 탄력적으로 추출을 하는 부분으 로 이루어져 있다. 전체 과정은 ArcGIS의 ModelBuilder (Allen, 2011; Kum et al., 2011)에서 순차적으로 관련 모듈을 연계시켜 자동화되도록 설계하여 실무 활용성을 높이고자 하 였다. FNSD는 한강수계의 섬강 유역에 시범 적용되었으며 항공사진 정보를 기반으로 수작업을 통해 도출된 하천망을 기수립 하천망으로 간주하여 30 m 저해상도 DEM에 각인시
켜 하천망을 재추출한 후 주어진 기수립 하천망과 비교하여 재현 정확도를 검토하였다. 본 논문은 FNSD를 소개하기 이 전에 DEM에 각인될 수 있는 국내 하천정보시스템이 제공하 는 하천망 정보의 공간정확도, 정보체계간 일치성 등을 섬강 유역의 사례를 통해 평가하였다.
2. 국내 하도네트워크 정보 현황 평가
국내에서 공식적으로 공간자료의 형식으로 제공되고 있는 하천망으로는 국토부에서 제공하는 RIMGIS와 WAMIS 하 천망, 그리고 환경부에서 제공하는 KRF (Korea Reach File) 하천망이 대표적이다. WAMIS와 RIMGIS의 우리가람길라 잡이에서 제공하는 전국 하천망은 소하천이 제외된 국가하천 과 지방 1,2급 하천에 국한되어 제공되는데 하천 중심을 연결한 선형(Polyline)이 아니라 하천의 점유지역을 최대한 반영한 면 자료(Polygon) 형식이었다(Fig. 1(a)). 이와 별개로 WAMIS
에서는 소하천까지 포함하는 상세한 선형 차수도 (Stream Order Map; Fig. 1(b))를 부가적으로 제공하고 있는데, 면형식의 하 천망과 달리 선형자료이나 정확도 등의 문제로 공식적인 정보 로 사용되지 않고 참고자료로 제공되고 있다. 2015년 전국 구 축이 완료된 KRF 3.0은 하천공간정보로 국가하천과 지방하 천에 대해 ‘Reach’로 명명된 하천 선형이 결합된 공간자료로 하천이 선형으로 제공되고, 상하류를 구분하는 노드와 결합 하여 순차적 하천네트워크를 구축할 수 있도록 설계되었다 (Kwon et al., 2012). KRF는 Arc Hydro (Maidment, 2002)와 NHD Plus (USGS, 2006)와 유사한 형태로 자료구조가 설계 되었고, 환경측정지점, 수질모델링 등의 결합이 유리하도록 고안되었다(Fig. 1(c)). KRF에서 제공하는 하천선형은 WAMIS 와 RIMGIS에서 제공하는 하천면의 중심을 연결한 선과 대략 일치하였다(Fig. 1(d)).
이와 같이 현재 가용한 하천망 정보를 평가하면 다음과 같다. 첫째, Fig. 1(a)에 나타난 것과 같이 WAMIS 하도 정보 를 국가정보 오픈플랫폼의 지도서비스를 제공하는 V-World
(a) WAMIS river network polygon and stream
order map compared with aerial photograph (b) The detailed stream order map in Sum River basin where the stream density in upper part is sparse than the lower part
(c) Korean Reach File (KRF) river network covering South Korea (d) Locational accuracy evaluation for WAMIS and KRF
Fig. 1. Review of currently available riverine hydrographic datasets
(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2012)의 OpenAPI를 활용하여 비교하였을 때 실제 하천과 일치하지 않음을 알 수 있다. 이는 공간정보 신규 생성 시 오류뿐만 아니 라 하도 형상이 퇴적과 침식을 통해 시간에 따라 변화하는 경향이 반영되지 않았기 때문이다. KRF의 경우 지방하천을 포함한 전국단위 상세 하천망을 제공하고 있으나, 기본적으 로 하도 선형이 WAMIS 정보를 참고하여 생성되었기 때문에 동일한 공간 오류가 전파됨을 알 수 있다(Fig. 1(d)). 그리고, RIMGIS와 KRF 모두 소하천까지 포괄하는 정밀 하천망 정보 는 제공하지 못하고 있다. 다만, WAMIS에서 제공하는 상세차
수도(Fig. 1(b))는 소하천까지 아우르는 정밀 하천망 정보를 제 공하나 Fig. 1(a)에서 보듯 역시 공간적인 오차가 상당히 존재 하며 Fig. 1(b)에서 보듯 섬강유역의 경우 하천망의 밀도가 지 역에 따라 다르게 제공되는 지역편차 등 문제점이 있었다.
국내 하천공간정보의 근간을 이루는 하천망의 공간 정확 도를 분석한 결과를 종합하면, 전반적으로 공간정확도의 개 선이 필요하고 현행화가 부족하다고 평가할 수 있었다. 사실 하천정비기본계획 등 상대적으로 최신 정보가 반영된 하천정 보는 RIMGIS에서 제공하는 한국하천일람에 반영되어 있다.
한국하천일람은 개별 하천의 유수계통, 기점과 종점의 위치,
(a) Difference in the definition of rivers between WAMIS and RIMGIS (Korea River Ilram)
(b) Comparison of river segment length from various sources regarding river and streams inside Seom River basin
Fig. 2. Collateral evaluation for currently exisiting various riverine information systems to identify their difference
설계홍수량, 하폭, 하천연장 정보를 제공하는 등 실무 기준으 로 활용되고 실무 측정 결과가 신속히 현행화된다. 한국하천 일람 정보를 최신 정보로 간주하고, 기존 WAMIS나 우리가 람길라잡이에서 제공하는 하천망도 정보를 비교해본 결과, 집계된 하천수가 한국하천일람은 국가하천과 지방하천을 합 쳐 1195개로 나타나나 WAMIS의 경우는 1200개로 제공되 고 있다. 예를 들어, Fig. 2(a)와 같이 신궁천은 한국하천일람 에서 제외되었는데 WAMIS에서는 여전히 나타나고 있다. 이 는 하천명이 변경 혹은 통합된 신규정보가 WAMIS 하천망도 에 반영되지 않았던 것이다. 그러나, 현단계에서 최신정보를 공지하는 한국하천일람은 속성자료로 제공될 뿐 공간자료와 결합되어 제공되지 않아 공간 분석 등에 활용하기 어렵다는 결정적인 문제가 있다. 즉 현재 국내에는 최신정보(한국하천 일람)가 반영된 정형화된 하천망 공간정보는 존재하지 않다 고 볼 수 있다. 게다가, 하천일람에서 제시된 하천의 시점과 종점, 하천연장 등이 실제와 다른 경우가 많다. Fig. 2(b)는 섬 강유역에서 하천기본계획, 한국하천일람, WAMIS에서 제 공하는 하천연장을 최신항공사진에서 디지타이징한 하천망 을 기반으로 계산된 하천연장과 다양한 하천에서 비교한 결과 이다. 섬강의 경우, 하천기본계획 수립 시 고시된 하천연장이 하천일람 제공 연장과도 상이하였다. 실제 지형을 고려한 하 천연장과도 섬강유역에서 조사된 대부분의 하천들에서 상이 함을 알 수 있다.
이러한 불일치에도 불구하고 실무적인 측면에서 하천일람 에서 고시된 하천연장 등 정보를 변경하는 작업은 많은 행정 적인 비용과 혼란을 초래하고 하천지형이 지속적으로 변경되 는 상황에서 현실적으로 어려운 면이 있다. 공간적으로 위치 정확도 오류가 있는 하천네트워크 정보의 활용은 각종 기본계
획 수립 및 설계 비용 산정 시 필요한 기점 및 하천연장 오차 발생, 제방선 및 단면 등 하천정보 관리의 효율화 등 하천관리 측면에서 각종 문제가 야기할 수 있다. 예를 들어, 설계 및 공사 비용 산정 등 실무에서 대부분 한국하천일람에서 제시하는 하천연장을 표준으로 활용하고 있으나 실제 하천 길이와 일치 하지 못한 경우가 많아 문제가 제기될 있다.
현재 가용한 DEM의 경우도 하천망과 유역을 추출하여 사 용하는 데는 정확도 문제가 발생하였다. 일반적으로 제공되 는 30 m 저해상도 DEM를 사용하여 하천망 추출 툴(Arc Hydro tool)을 통해 도출된 결과는 Fig. 3와 같은 데 항공사진 상 실제 하도와 이격을 보이고 선형도 매끄럽지 못하게 나타 났다. DEM을 통하여 하천네트워크 추출 시 더 큰 오차가 포 함되는 이유는 다음과 같다. 첫째, 일반적으로 제공되는 DEM은 30 m×30 m의 해상도를 가지고 있으며 하나의 셀에 하천이 아닌 부분과 하천에 포함되는 부분이 모두 포함되는 경우가 대다수이기 때문에 오차가 발생한다. 예를 들어 하폭 이 10 m 내외인 소하천의 경우 30 m×30 m 해상도의 DEM에 서 하천 흐름의 계산 시 하천구간과 하천이 아닌 구간을 모두 포함하여 정확도가 현저히 떨어진다. 둘째, 일반적으로 제공 되는 DEM은 실제 하상을 반영하지 못한다. 즉, 별도로 측정 된 하도 수심 측정 자료와 기존 지형의 결합이 필요한데 현 재 국내에서 제공되는 DEM 중 하천 지형까지 반영된 경우 는 매우 드물다. 셋째, 농수로 등 하천 개수에 따른 인공적 선형의 변화는 자연적인 굴곡에 따른 물의 흐름선과 상이하 므로 DEM으로부터 직접 추출은 어렵고 추후 별도의 수정이 불가피하다.
정밀 DEM이 존재하는 않은 상황에서는 부정확한 하천네 트워크 정보를 제공하는 낮은 해상도 기반 DEM을 활용하는
Fig. 3. Evaluation of the DEM-derived river network compared with aerial photograph, KRF and WAMIS
접근방식은 수문학적 모형 구축, 상세한 차수도 추출, 소유역 해석 등 다양한 학술 및 실무적인 연구에도 오차를 전파시킬 수 있다. 즉, DEM을 통해 추출할 수 있는 하천망이 위성 또는 항공사진에서 나타나는 실제하천과 다르고, 국가에서 제공 하는 하천망과도 상이한 결과는 정확한 DEM을 기반으로 다 양한 차수의 하천망을 생성하고 유역을 분할하며 수리수문학 적 분석을 수행하는 데 정확도 문제를 초래한다.
이런 측면에서, 해상도가 낮은 DEM을 사용하더라도 실제 현장조사 및 최신 위성영상으로 정확한 하천네트워크정보를 확보했을 경우 이를 활용하여 역으로 기존 저해상도 DEM에 각인시켜 추후 다양한 차원의 하천망 및 유역 추출 정확도를 높이는 방법도 강구할 수 있다. 한편, 비록 하천망의 공간적인 오류가 존재하더라도 한국하천일람 등과 같이 관행적으로 실 무에 적용하고 있어 현재 국가시스템에서 제공하는 하천네트 워크 및 유역 위치의 조정 등 변경이 당분간 불가한 경우도 발 생할 수 있다. 이 경우, 현행 하천네트워크를 DEM에 각인시 켜 지정된 하천네트워크 추출을 강제화시킬 수 있다. 미국의 경 우, 국가수치표고체계(USGS, 2003)에서 국가 전역에 걸쳐 지
역에 따라 30 m, 10 m, 3 m 해상도의 DEM을 제공하고 있는데, 기존 위성이나 항공측량을 기반으로 생성된 DEM이 하도를 묘사하지 못해 DEM으로부터 하천망 및 유역 추출 시 정확도 및 일관성 문제가 발생하여 하천망을 각인한 DEM을 보급하 고 있다(McKay, L. et al., 2012).
3. DEM 기반 하천망 각인 및 자동 추출 프로그램 (FNSD) 개발
3.1 기수립 하천망의 DEM 각인 원리
래스터 자료(DEM)에 벡터자료 정보(하천망)를 각인시키 는 기능은 ArcGIS에서 ‘DEM Reconditioning’ 모듈에서 기 본적으로 제공하고 있는데 선형 Feature(벡터자료)를 이용하 여 해당 선형 주변의 래스터 자료의 픽셀들을 보간하여 선형 자료의 지리정보가 라스터 자료에 반영하도록 하는 것이 주요 기능이다. 즉, 하천망의 표고정보를 DEM과 중첩시켜 재보간 하여 DEM을 수정시키는 작업으로 GIS에서 래스터와 벡터
(b) DEM Reconditioning module and its options in ArcGIS
(a) DEM coupled with river network (c) Schematic description to striate river centerlines feature
by interpolating them with surrounding DEM
Fig. 4. The concept of DEM reconditioning module
자료를 결합하는 데 보편적으로 활용된다. ArcGIS에서 제공 하는 DEM Reconditioning 모듈은 Arc Hydro 툴에서 대표적 으로 활용되고 있으며(Djokic et al., 2011), 본 연구에서도 위 모듈을 Arc Hydro와 같이 하천망 벡터자료를 DEM에 각인시 키는 데 활용하였다. Fig. 4는 DEM Reconditioning 원리와 옵 션을 보여주고 있다. Fig. 4(a)와 같이 기존 DEM(회색선)에서 하천부근의 표고는 하천지형이 반영되지 않아 평평한 형태로 나타나는 경우가 많아 DEM 기반 하천망 추출 시 오차를 필연 적으로 수반할 수 있다. 기존 DEM에 기수립된 하천망(파란색 실선)이 DEM Reconditioning 기능을 활용하여 각인되어 선 형 주변으로 재보간된 경우, 하천 단면이 하천망을 주변으로 명확하게 나타나고, 하천망을 추출 시 기수립된 하천망이 재 현될 수 있는 것이다. Fig. 4(b)에 나타난 ArcGIS의 DEM Reconditioning 모듈은 Stream buffer, Smooth drop/raise, Sharp drop/raise의 세 가지 옵션을 포함한다. Stream buffer 옵션은 선택된 선형 Feature과 공간적으로 포함되는 DEM 셀 의 높이를 입력된 수치만큼 증가시키거나 감소시켜 보정하는 기능의 옵션이다. Smooth drop/raise 기능은 선형 Feature에 포함되는 셀의 표고를 얼마나 버퍼를 가지고 증가/감소 값 조 정에 대한 알고리즘 적용이다. Smooth drop/raise 기능은 다 음과 같은 알고리즘이 적용된다.
Smooth drop/raise distance
=Mean surface inside buffer×buffer distance×forcing factor
(1)여기서, Mean surface inside buffer는 버퍼 내 부의 평균 표면 기울기, buffer distance는 버퍼 거리, forcing factor는 보정의 크기 정도를 제어하는 계수이다. Sharp drop/raise 기능은 셀 이 Smooth drop/raise 과정으로 계산된 후 선형 Feature에 해 당되는 셀이 증가/감소하는 정도를 제어한다. 선형 Feature 의 고도가 제공되지 않은 경우, 감소되는 조정값은 비교적 큰 값을 가져야 한다. 하천망 각인 수행된 후 하천 부근 DEM 은 Fig. 4(c)와 같이 변형된다. 여기서 유의해야 할 점은 DEM Reconditioning을 통해 개선된 DEM은 추후 하도망을 정확하 게 재추출하게 해 주는 반면 실제 지형과는 상이하다는 데 있다.
3.2 FNSD (Forced River Network Striation and Delineation Tool) 구성
본 연구에서 개발한 FNSD 프로그램은 ArcGIS에서 제공 하는 DEM Reconditioning 모듈을 활용하여 DEM을 주어진 하천망이 반영되도록 강제 수정시키고 신규로 주어진 임계값 에 따라 하천망 및 유역을 재도출하는 전 과정을 ArcGIS
Modelbuilder에서 자동화되도록 구현하여 업무 효율을 증가 시키고자 하였다. FNSD 가동을 위하여 기수립된 선형 Feature 형식의 하천망, 하천 구간과 비하천 구간을 결정하는 누적흐름 가중치, DEM Reconditioning의 세부 옵션, 추출된 자료의 저장 경로 등이 주요 입력 요소로 요구된다.
FNSD 프로그램의 주요 알고리즘은 요약하면 Fig. 5에 나 타난 바와 같다. 일반적으로 제공되는 DEM의 해상도가 저해 상도(예를 들어 30 m 해상도)일 경우, 하도구간과 비하도 구 간의 경계를 구분하기 힘들므로 ‘Resampling’기능을 활용하 여 격자 크기를 줄여 보간의 효과가 나타나게 한다. 이러한 재 조정은 추후 하천선형이 반영되고 보간을 실시하였을 때 하천 경계 및 주변을 보다 정밀하게 묘사하기 위함이다. 셀의 크기 가 조정된 DEM을 이용하여 기수립된 선형 Feature(하천중심 선)을 입력자료로 DEM Reconditioning을 수행한다. 이 때 과 도하게 보간되거나 소실된 구간에 대하여 Fill Sink 기능을 이 용하여 Reconditioning된 DEM을 보완하고, Flow Direction 기능을 통하여 방향 정보를 포함한 Raster 자료를 추출한다. 추 출된 방향 자료를 통하여 각 셀마다 방향 누적 정보 결과를 포함 하는 Accumulation Raster를 도출한다. 도출된 Accumulation 에 하천의 흐름 구분을 판단하는 누적흐름 가중치를 경계치로 하천을 정의하는 Stream Definition 기능을 통하여 하천과 하천이 아닌 부분을 구분 짓는다. 이를 통하여 Drainage Line Processing, Catchment Processing, Drainage Point Processing을 활용하여 다양한 크기의 배수구간, 집수구역, 배수 출구점을 도출하고 Hydro Network Generation 기능을 통하여 하천망(Stream Line)과 유역(Catchment)이 최종 도출된다.
Fig. 5에 제시된 FNSD의 알고리즘은 입력자료로부터 최 종 성과인 하천망이 각인된 DEM, 누적흐름 가중치에 따라 국가하천부터 소하천까지 변화될 수 있는 하천망, 유역 등을 추출하는 과정을 순차적이며 일괄적으로 적용하는 과정을 ArcGIS의 ModelBuilder에서 구현되었다. ModelBuilder 는 ArcGIS 상에서 사용 가능한 모듈들을 이용하여 반복적이 거나 복잡한 프로그램 과정에 대하여 이용 기능과 과정을 정 해놓고 한 번에 처리하는 기능으로, 입력자료(P가 포함된 타 원형), 특정 기능을 수행하는 모듈(사각형), 중간 혹은 최종 출력자료(타원형)으로 구성되어 있고, 처리의 진행 방향은 화살표로 표시된다(Allen, 2011). 사용자는 입력자료 및 변 수 등을 지정하여 실행을 시키면 전체 프로세스가 자동으로 진행되는 원리이다. FNSN은 기본적으로 데이터베이스 기 반으로 입력자료를 연결하고, 하천 선형을 주어진 DEM에 각 인시키며, 지정된 누적흐름 가중치에 따라 하천선형과 유역 을 재추출하는 3가지 주요 기능으로 구분된다. ModelBuilder
의 장점은 ArcGIS에서 제공하는 모듈들을 알고리즘에 맞게 요소요소에 활용 가능하고, 모듈의 대체 및 추가 등 수정이 용이하며, 필요하면 Python 등을 통해 직접제작이 가능하여 HEC-RAS와 HEC- HMS와 같은 수리수문학적 모형과 입력 자료를 연동시키 프로세스를 자동화시키는 연구(Whiteaker
et al., 2006)도 있는 등 활용가능성이 매우 높다. 본 연구를 통해 개발된 FNSN은 다음의 링크를 통해 무상으로 제공되 고 있다(Choi et al., 2018). FNSD는 ArcGIS에서 변수만 설정 하면 운용이 가능하도록 개별 툴과 같이 사용할 수도 있다 (Fig. 6).
Fig. 5. The detailed of FNSD tool in ArcGIS ModelBuilder that comprises three components: forced river network striation to DEM, stream network delineation, and data source connection
Fig. 6. FNSD tool that embedded all subsequent tools inside and shows parameters in a tool within ArcGIS toolbox
4. 시범유역 적용 및 분석
4.1 시범유역 및 하천망 수립
개발된 FNSD의 성능을 검증하기 위해 본 연구에서는 중 권역 규모인 한강수계 섬강 유역을 시범유역으로 설정하였 다. 섬강유역은 Fig. 7(a)와 같이 한강 권역의 상류부에 위 치하며 1,490 km2의 유역 면적을 가지고 있으며 11개의 표 준유역(Subbasin)으로 구성되어 있다 (Fig. 7(c)). RIMGIS 및 KRF에 제시하고 있는 하천망은 Fig. 7(b)와 같고, 국가 하천(섬강)과 지방하천들로 구성되었다. DEM은 일반적 으로 통용되는 30 m 저해상도 DEM을 사용하였다 (Fig. 7(d),
BIZ-GIS, 2006). 섬강유역은 경사가 비교적 급한 산지형 하천 부터 남한강과 합류하는 부분은 경사가 완만해지는 특성을 보이고 있고, 유역 상류에 횡성댐이 위치하고 있다.
DEM에 각인할 기수립 하천망으로 Fig. 7(b)에서 제시한 WAMIS 공시된 하천선형대로 적용해도 무방하나 본 연구에 서는 KRF에서 공시된 하천선형을 활용하되 Fig. 8(a)와 같이 V-world 제공 항공사진을 기반으로 하천으로 판단되는 지역 에 약 10~20 m 간격으로 꼭지점(Vertex)을 조정하는 방법 으로 하천중심선을 별도로 디지타이징하여 만든 하천망을 기수립 하천망으로 간주하였다. 디지타이징이 완료된 하천 선형은 실제 하천중심선과 가장 유사하다고 가정하였고
(a) The geographic location of Sum River basin (b) National and location river streamlines available from WAMIS
(c) Catchments within Sum River basin (d) Digital elevation model of 30 m spatial resolution
Fig. 7. Sum River basin as selected test bed to demonstrate and validate capability of the FNSD tool
Fig. 8(b)와 같이 섬강 유역 전체에 대해 항공사진 기반 하천 선형도를 작성하였다. 본 연구에서 기본적으로 활용한 KRF 와 WAMIS에서 제공하는 하천선형은 국가하천과 지방하천 까지 제공하여 소하천은 포함하지 않았다. 따라서, 소하천 수 준까지 정확하게 추출할 수 있는 DEM을 원할 경우 추가적인 디지타이징이 필요할 것이다. 검증의 기본 방향은 기수립 하 천망을 각인한 DEM에서 FNSD에서 재도출한 하천망과 기 수립 하천망을 비교하여 각인된 대로 하천망이 제대로 도출되 는 지 점검하는 데 있다. 부가적으로 소유역을 도출하여 현재 고시된 소유역과 비교하여 차이를 분석하였다.
4.2 FNSD 적용결과 분석
실제 사례(섬강유역)를 통해 FNSD를 적용하여 DEM에 하 천망이 각인된 효과를 살펴보면 Fig. 9와 같다. Fig. 9(a)와 Fig.
9(b)는 각각 하천 지형이 뚜렷하지 않은 원본 DEM과 기수립 된 하도망이 각인된 수정 DEM을 나타낸다. Fig. 9(b)에 나타 난 검은색 실선은 DEM에 각인된 하천선형을 나타내고, FNSD 적용 전후 단면을 살펴보면(A-A, B-B 단면) 각각 Figs.
9(c) and 9(d)와 같다. Fig. 9(c)에서 기존 DEM이 하천의 단면 선형이 적절히 반영하지 않아 비록 하천의 형상은 대략 감지 될 수 있으나 하천망 추출과 같은 정밀작업을 수행할 경우 하 천 단면이 다소 평평하여 문제가 발생할 수 있음을 보여준다.
개선된 DEM은 하도선형 좌우에 일정한 버퍼를 두고 하천 선형과 주어진 표고를 반영하여 각인된 하천단면을 나타내고 있는데 하도와 하도주변의 경계가 확실하게 구분됨을 알 수 있다. 즉, 하나의 특정 단면에 대하여 보간 전의 완만한 DEM 이 보간을 통하여 하천이 흐르는 구간에 대하여 수심방향으로
더 강조되어 조정되었다. 이러한 보간의 효과는 하천 네트워 크 추출 시 배수구간의 계산과정에서 조정된 DEM의 하천구 간에 해당되는 셀로 배수 흐름을 유도하여 보다 정확한 하천 네트워크를 추출할 수 있도록 한다. 따라서 수정된 DEM으로 하천망을 추출할 경우, 각인된 선형의 형태로 하천망을 동일 하게 추출할 수 있게 된다.
제시된 FNSD를 섬강유역에서 30 m 공간해상도 DEM에 기 수립 하천망으로 가정된 항공사진으로부터 디지타이징한 하천 망을 각인시켜 DEM을 개선하고 재추출된 하천망은 Fig. 10(b) 와 같다. 누적흐름 가중치는 70,000, 각인된 후 보간 시 조정된 DEM의 해상도는 10 m, 각인 시 사용된 Reconditioning 모듈 에서는 Number of Cells for Stream Buffer이 10, Smooth Drop in Z Units이 30, Sharp Drop in Z Units이 60인 조건이 적용되었다. 해상도의 재조정은 하천망 각인과 함께 하도 주 변의 해상도를 높여 지방하천과 같이 하폭이 좁은 하천의 인 식률을 높이는 역할을 한다. 적용결과를 살펴보면, 우선 재추 출된 하천망과 항공사진과 입력 하천망과 비교하면 정확하게 일치함을 알 수 있는데(Fig. 10(b)), 각인된 하천망이 하천망 재추출 시 계획된대로 적절히 하천망이 재조정되었음을 의미 한다. 원시 DEM 자료를 활용하여 하천망을 동일한 과정으로 추출한 결과가 실제 하천과 상당부분 공간적으로 이격되는 결과와 비교해 볼 때(Fig. 10(c)), 각인된 DEM을 추후 사용할 경우, 최소한 각인된 하천의 정밀도 이하에 준하는 하천망을 의도에 따라 재생산할 수 있게 한다고 판단할 수 있다.
Fig. 11은 각인된 DEM을 활용할 수 있는 사례로 누적흐름 가중치를 재조정하여 하천정밀도가 다른 하천망을 추출할 수 있음을 보여준다. 항공사진을 통해 추출된 하천중심선의 연
(a) A snapshot of the digitizing process by realigning vertices in river
flowline polylines based upon backgrounded aerial photograph (b) Fully digitized river network within Seom River basin
Fig. 8. Digitized river flowline in the level of national and local rivers located within Seom River basin
장 61.94 km과 비교해 각인되기 전 후의 DEM을 기반으로 추 출한 하천연장은 각 각 77.35 km와, 66.74 km로 본 연구에서 제시한 방법이 상대적으로 더 정확한 결과를 보여준다. 이러 한 결과는 미리 하천망이 의도적으로 각인된 DEM을 사용할 경우 다양한 차수의 하천망 및 소유역을 추출할 수 있다는 것 을 의미한다.
하천망의 재조정은 유역의 공간적인 위치, 하도길이, 기점/
종점의 위치 등을 변경시킨다. 대표적으로 유역의 재조정 정 도를 살펴보면 다음과 같다. 재추출된 하천망과 DEM을 고려 하여 도출된 표준유역은 Fig. 12에서의 검은색 경계와 같은데
RIMGIS에서 고시된 표준유역(굵은 회색 경계)과 비교하면 상세한 부분에서의 차이뿐만 아니라 일부 지역에서는 매우 큰 차이를 보임을 알 수 있다. 대표적으로 Fig. 12의 구역 A와 B의 경우는 RIMGIS 유역과 도출된 유역이 큰 차이를 보이는 사례이다. A 구역의 경우, 횡성댐 인근에서 큰 차이를 보이는 데, 일반적으로 DEM을 기반으로 도출된 유역이 하천망의 합 류점을 기점으로 분할되는 반면, 이 경우 댐유역을 인위적으 로 설정하였음을 알 수 있다. 댐의 집수구역을 유역으로 조정 한 것은 타당하나 댐 직하류 합류점의 경우 유역 내부에 위치 하는 모순을 보이고 있다. 그러나, 이와 같은 유역의 인위적
(a) A conventional DEM before striation of river network (b) Reconditioned DEM after applying striation of river network;
cross-sectional elevation across a river channel
(c) Before striation (d) After striation of river network
Fig. 9. DEM striated with river network
(a) Original DEM applied (b) Modified DEM applied
(c) Original DEM applied (zoom)
Fig. 10. Accuracy enhancement of extracted river network after applying modified DEM using FNSD compared with that from original poor DEM
(a) Threshold=4,000 (b) Threshold=15,000
(c) Threshold=100,000 (d) Threshold=300,000
Fig. 11. Delineated river network and catchment within Seom River basin, where different threshold to define initial location of flowlines
조정은 논란의 여지가 있을 수 있으나 댐 상류 유역을 관리한 다는 차원에서 오류가 있다고 단정 짓기 힘들다. 반면, B 구역 의 경우 상단 Junction (ii)에서는 합류점을 기점으로 두 경우 모두 유역을 동일하게 분할하고 있으나 하단 Junction (i)에서 는 합류점에서 유역이 분할되지 않아 고시된 유역에 명백한 오류가 있음을 알 수 있다. B구역과 같은 오류는 추후 수정되 어야 할 것이다. 위의 사례는 FNSD 툴을 사용하여 하도망이 각인된 DEM을 사용할 경우, 현재 고시된 유역의 공간적 정확 도를 재조정하는 데 활용할 수 있음을 의미한다.
4.3 FNSD 개발의 시사점
FNSD를 활용하여 실무에서 통용되는 혹은 항공사진 등 정 확도가 높은 하천망을 각인시켜 DEM을 개선하고 하천망과 유역 추출과정 전 과정을 자동화시키는 작업의 시사점은 다음 과 같다. 첫째, 비용 등 현실적인 문제로 근본적으로 정확한 하천망을 추출할 수 있는 고해상도 DEM이 가용하지 않는 상
황에서 해상도가 낮은 DEM을 활용해도 사용자가 정해진 하 천망과 유역에 따라 DEM을 활용한 다양한 작업을 수행할 있 다는 측면에서 의미가 있다. 즉, 수리문학적으로 LiDAR 측량 과 같이 고해상도 DEM이 주는 잇점이 실제 지형을 반영한 정 확한 하천망 및 유역정보를 추출 가능하게 한다는 데 있다면, 이러한 잇점을 저해상도 DEM으로부터도 이룰 수 있다는 의미 이다. 사실, 고해상도 DEM은 수리수문학적 관점에서는 정확 한 하천망 추출 외에 하도 및 유역경사, 경사방향, 고도변화 패 턴을 분석하는 데 저해상도 DEM을 사용하는 것과 큰 차이가 없으므로 FNSD와 같이 저해상도 DEM의 하도추출 정확도를 높일 수 있다면 실용적인 측면에서 의미가 있다고 볼 수 있다.
둘째, 이러한 작업은 비록 실제 DEM을 일부 왜곡시키더라 도 본 연구와 같이 디지타이징을 통해 정확도가 높은 하천망 추출이 가능한 DEM을 제공한다는 측면과 공간정확도가 낮 더라도 실무에서 통용되는 하천망이 도출되도록 하는 DEM 개선 기법을 제공할 수 있다는 측면에서 수리수문학적으로
Fig. 12. Accuracy comparison of subbasin territories between published subbasins in RIMGIS and this study
특화된 DEM이라고 볼 수 있다. 즉, 물리적인 DEM과 사용하 고 있는 하천망의 이격을 해소하여 보정된 소유역 추출, 단면 관리 등 DEM을 수리수문학적 목적으로 활용할 수 있고, 자연 지형에서 반영되지 않은 인공적인 하도조정, 일부 하도선형 변화 등이 DEM의 재측정, 또는 추후 별도의 하천망 사후 조정 없이도 DEM에 반영될 수 있다는 의미이다. 셋째, FNSD는 DEM 각인과 하천망 및 유역의 추출을 GIS 환경에서 자동화 하여 작업의 효율을 높였고, 코드와 인터페이스 현태로 제공 되는 소프트웨어 형식과 달리 Fig. 5에서 나타나듯 독립적인 모듈들과 자료들의 연결을 통한 순차적인 자료처리 과정이 가시적으로 제공되어 알고리즘의 이해, 기능추가 및 개선, 모 듈 연결 조정, DB 등 자료와 연계 변형 등 사용자의 요구에 따 라 개선이 용이한 장점이 있다.
5. 결론 및 향후과제
본 연구의 출발점은 현재 고시된 하천망을 항공사진 등을 활용하여 비교하였을 때 특히 지방하천 이하에서 실제 하도형 상과 차이가 나타나고, 또한 현재 국내에서 일반적으로 통용 되는 30 m DEM으로 사용하여 하천망을 추출할 경우, 고시된 혹은 실제와 일치하는 하천망을 재현할 수 없다는 문제인식에 서 비롯되었다. 또한, 국가에서 공식적으로 제공하는 WAMIS, RIMGIS, KRF, 우리가람길라잡이에서 고시된 하천망을 검 토한 결과, 정확도 문제 뿐만아니라 상호 일치되지 않고, 현행 화가 부족하고, 그나마 최신 정보인 한국하천일람 자료는 공 간자료 형태로 제공되지 않아 공간분석 등에 즉각적인 활용도 가 낮다는 사실도 파악하였다. 이러한 문제는 학술 및 실무에 서 다양한 혼선을 초래할 수 있으며, 하천정비기본계획 수립 시 설계사에서 국부적인 재측량을 필요로 한 경우가 많다. 측 량 결과 또한 전국단위로 집계되지 않고, PDF 형식의 보고서 로만 존재해 공간자료로서의 활용가치가 상실된 상태이다.
하천네트워크 정보와 실제하천과의 불일치는 연동되는 유역 의 공간적인 위치 및 면적 등의 불일치를 순차적으로 초래하 게 된다. 이러한 불일치는 특히 지방하천 및 소하천에서 큰 편 인데, 대하천은 언급된 바와 같이 LiDAR 기반 고해상도 DEM 등을 활용할 수 있고 관리의 중요도가 높아 정확도 조정 이 빈번한 반면, 지방하천 이하 하천은 저해상도 DEM(예, 30 m)만 가용한 경우가 많아 추출 하천망 정확도가 기본적으로 낮고, 침식 및 퇴적, 하도개수 등으로 변경된 하천 선형의 현행 화 반영이 부족하거나, 하천망 추출을 위해 사용된 알고리즘 한계 등이 있어 공간정확도가 낮은 경향이 있었다.
본 연구를 통해 개발된 FNSD 툴은 특히 하천 지형에 대한 정확도가 높지 않은 DEM의 수리수문학적 활용성을 극대화 시키기 위해 실제 하천선형을 반영한 하천망 혹은 정확도는 낮으나 실무에서 불가피하게 사용되고 있는 하천선형을 DEM에 각인시킴으로서 저해상도 DEM의 활용도를 높이고 전국단위 DEM을 재구성하는 대안을 제시하였고, 이를 기반 으로 다양한 공간정밀도의 하천망 및 유역을 재추출하는 과정 을 자동화시켰다는 데 의미가 있다. 하천망의 DEM으로의 각 인화 기법은 미국의 NED와 NHD Plus와 같은 해외사례를 볼 때 충분히 국내적용도 가능하다는 사실도 확인하였다. 특히, 국내에 적용할 경우 미국의 NED와 NHD Plus와 같이 일관성 있는 하천망도를 추출하는 DEM 제공이 가능해져 사용자의 판단에 의해 하천 중심선 및 유역 추출의 변동성을 제거하고 일관성 있는 품질의 하천중심선을 획득할 수 있을 것으로 사 료된다.
본 연구에서는 항공사진 디지타이징을 통해 정확도가 높 은 하천망을 섬강유역에 적용한 결과 FNSD는 기수립 하천망 을 정확하게 재현할 수 있음을 확인하였다. 이러한 검증결과 는 인공수로 등으로 하천망이 재조정되었거나 불가피하게 현 하천망을 사용해야 하는 경우도 이를 기반으로 각인된 DEM 이 기수립 하천망을 재현할 수 있음을 의미한다. 물론 근본적 인 대책은 고정밀도 DEM의 확보 및 주기적인 현행화일 것이 나, 아직 실무 반영에 시간이 필요하므로 중간단계의 대책으 로 FNSD와 같은 방법이 고려될 수 있을 것이다. 다만, 디지타 이징에 많은 시간이 소요되므로 항공사진에서 하천구역을 판 단하여 중심선 추출을 자동화할 수 있는 툴 개발은 실무를 보 다 효율적으로 할 수 있게 할 것이다.
본 연구는 국내 하천지리정보시스템을 개선하기 위한 연 구 중 하나로서, 현재 레이어 중심으로 설계되어있는 하천공 간정보 체계를 하천중심선을 기반으로 서로 관계형 데이터베 이스로 설계하기 위한 기초연구이다. 따라서 본 연구의 결과 는 향후 국내 하천지리정보시스템을 개선할 수 있는 여지를 제공해 줌과 동시에 하천공간정보간의 관계성과 확장성을 증 대시킬 수 있는 기초기술이라 할 수 있다. 향후 연구에서는 하 천중심선을 기반으로 하천정보간의 관계성을 반영할 수 있는 하천공간정보 표준을 개발할 것이며, 하천공간정보 표준만 으로는 그 우수성의 검증이 어려워, 이를 기반으로 하는 다양 한 응용 기술 및 소프트웨어를 바탕으로 우수성을 입증할 예 정이다. 이러한 일련의 과정은 국내 하천지리정보시스템의 발전의 토대가 될 것이며, 향후 하천공간정보의 수집, 관리, 유지, 제공의 패러다임을 변화시킬 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 지원으 로 수행되었음(과제번호 19AWMP-B121100-04).
References
