韓 國 水 資 源 學 會 論 文 集 第43卷 第1號․2010年 1月
pp. 25~39
GIS를 이용한 수문학적 지형인자 산정에 대한 비교검토
Comparison and Examination of the Calculating Hydrological Geographic Parameters Using GIS
김 경 탁 * / 최 윤 석 ** / 이 효 정 ***
Kim, Kyung Tak / Choi, Yun Seok / Lee, Hyo Jung
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Abstract
Recently, GIS softwares such as WMS, ArcHydro, and HyGIS which can calculate hydrological geographic parameters are popularized. These softwares have the functions to calculate various geographic parameters which are used in water resources from DEM (Digital Elevation Model). In this study, hydrological geographic parameters calculated by WMS and ArcHydro are compared and examined with them from HyGIS to evaluate the applicability of the parameters from HyGIS.
Bochungcheon (Riv.), Wicheon (Riv.), Pyungchanggang (Riv.), Gyungancheon (Riv.), Naerincheon (Riv.), and Imjingang (Riv.) watersheds are selected for this study, and the shape of watershed, watershed area, watershed slope, the average slope of watershed, main stream length, main stream slope, maximum flow distance, and the slope of maximum flow distance are calculated to compare and examine the characteristics. Study results show that the average relative error of 7 geographic parameters from all the watersheds is 4.77 %, and all the watershed boundaries are very similar. So, all the geographic parameters calculated by each software show very similar value, and the geographic parameters calculated by HyGIS can be applied to water resources with WMS and ArcHydro which have been generally used.
Keywords : HyGIS, WMS, ArcHydro, geographic parameter
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요 지
최근 들어 WMS와 ArcHydro 및 HyGIS와 같이 수문학적 지형인자를 생성할 수 있는 GIS 프로그램이 널리 보급 되고 있다. 이러한 프로그램에서는 격자형 고도자료인 DEM (Digital Elevation Model)을 이용하여 수자원에서 필요 로 하는 다양한 지형인자를 계산할 수 있는 기능을 제공하고 있다. 본 연구에서는 HyGIS로부터 산정된 수문학적 지 형인자의 적용성을 평가하기 위해서 국내에서 주로 사용되고 있는 WMS와 ArcHydro를 이용하여 수문학적 지형인 자를 산정하고 그 결과를 HyGIS의 계산 결과와 비교·검토하였다. 연구 대상유역으로는 보청천, 위천, 평창강, 경안
* 교신저자, 한국건설기술연구원 수자원연구실 책임연구원
Corresponding Author, Research Fellow, Water Resources Research Div., Korea Institute of Construction Technology, Goyang-Si, Gyeonggi-Do 411-712, Korea
(e-mail: [email protected])
** 한국건설기술연구원 수자원연구실 연구원
Researcher, Water Resources Research Div., Korea Institute of Construction Technology, Goyang-Si, Gyeonggi-Do 411-712, Korea
*** 한국건설기술연구원 수자원연구실 연구원
Researcher, Water Resources Research Div., Korea Institute of Construction Technology, Goyang-Si, Gyeonggi-Do 411-712, Korea
DOI: 10.3741/JKW RA.2010.43.1.25
천, 내린천, 임진강 유역을 선정하였으며, 각 유역에 대해서 추출된 유역의 형태와 함께 유역 면적, 유역 경사, 유역 평균고도, 최대유하거리, 최대유하거리 경사, 주하천 길이, 주하천 경사에 대한 산정결과를 비교검토 하였다. 연구결 과 전체 유역에 대한 7개의 지형인자의 평균 상대오차는 4.77 %를 나타내었으며, 각 유역에 대해서 추출된 유역 경 계 또한 매우 유사하게 생성되었다. 이와 같이 각각의 프로그램은 매우 유사한 지형인자 계산 결과를 나타내고 있으 며, 따라서 HyGIS에서 계산된 지형인자는 기존에 국내에서 활용되어 왔던 WMS 및 ArcHydro와 함께 수자원 분야 에서 충분히 적용 가능한 것으로 나타났다.
핵심용어 : HyGIS, WMS, ArcHydro, 지형인자
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1. 서 론
수자원에서 GIS는 수문분석 및 유역관리에 다양하게 이용되고 있으며, 특히 수문순환을 해석하기 위한 모형 에서는 수문학적 지형인자의 산정과 입출력 자료의 관 리 및 모의결과의 분석에 효과적으로 활용될 수 있다.
이때 수문학적 지형인자의 산정은 주로 유역의 고도자 료를 분석해서 계산할 수 있다. 최근에는 WMS와 ArcHydro 및 HyGIS와 같이 수문학적 지형인자를 생 성할 수 있는 GIS 프로그램이 널리 보급되고 있으며, 이러한 프로그램에서는 격자형 고도자료인 DEM (Digital Elevation Model)을 이용하여 수자원에서 필요 로 하는 다양한 지형인자를 계산할 수 있는 기능을 제 공하고 있다.
ArcHydro는 ESRI (The Environmental Systems Research Institute)의 ArcGIS 환경에서 구동되는 extension 모듈로 ArcGIS Hydro 데이터 모델에서 필요 로 하는 유역의 framework 공간데이터를 생성할 수 있다 (Maidment, 2002). ESRI의 ArcView, ArcInfo 및 ArcGIS 와 같은 프로그램은 세계적으로 널리 이용되고 있는 범 용 GIS 도구로서 1990년대 이후 국내에서 꾸준히 활용되 고 있으며, 수자원 관련 분석을 위해 필요한 다양한 수문 지형정보를 생성할 수 있는 기능을 제공하고 있다.
WMS (Watershed Modeling System)는 미 육군공 병단(U.S. Army Corps of Engineers)의 지원하에 Brigham Young 대학의 Engineering Computer Graphics Laboratory (ECGL)에서 1990년대 초에 개 발된 이래 현재까지 지속적으로 개발이 진행되고 있으 며, GIS를 활용한 수리 및 수문 해석을 위한 포괄적인 그래픽 사용자 환경을 제공하고 있다. WMS에서는 유 역분할 및 지형인자 산정을 위해서 DEM과 TIN (Triangulated Irregular Network) 형식의 자료를 이용 할 수 있으며, 이때 DEM을 이용한 흐름정보 생성 및 유역 지형정보 생성을 위해서 TOPAZ(TOpographical PArameriZation)(Garbrecht and Martz, 2000)를 이용하 고 있다. WMS는 김경탁(1998)에 의해 국내에 소개된
이래 유역의 수리․수문 해석을 위해 다양하게 이용되 고 있으며, 김경탁(1998)은 TIN 해석과 Grid 해석, 소유 역 분할개수에 따른 유출해석 결과를 비교분석하고, 정 밀토양도와 개략토양도 및 토지이용속성의 분류 방법에 따른 유출특성을 분석한 바 있다. 최윤석 등(2000)은 HEC-1 모형의 단위도 적용을 위한 매개변수 추정을 위해서 WMS를 적용하고, DEM 격자크기에 따른 유출 해석 결과를 분석한 바 있으며, 이종태 등(2006)은 WMS와 ArcView를 이용해서 DEM으로부터 유역과 하천망을 추출하고, 도시하천에서의 홍수범람도를 작성 하기 위한 과정 및 특징을 비교분석 한 바 있다. 이와 같이 WMS는 수문 및 수리모형에서 필요로 하는 매개 변수를 산정하거나 지형정보를 생성하는데 효과적으로 활용 가능한 것으로 알려져 있다(오경두 등, 2002; 김경 탁 등, 2006).
HyGIS (Hydro Geographic Information System)는 수자원의 지속적확보기술개발 사업단의 지원하에 한국 건설기술연구원에서 2004년부터 개발이 진행되고 있는 수자원 지리정보시스템이다(한국건설기술연구원, 2007).
HyGIS에서는 다양한 수문 및 수리 모형을 GIS 기반 에서 구동할 수 있는 통합모의환경을 제공하고 있으 며, DEM을 이용하여 수문지형정보를 생성하고 각 모 형에서 필요로 하는 매개변수를 자동으로 계산할 수 있는 기능을 제공한다. 김경탁 등(2004)은 HyGIS- TOPMODEL을 이용해서 TOPMODEL의 지형지수를 산정하고, 경안천 유역의 유출해석을 수행한바 있으며, 이재남과 노재경(2009)은 용담댐 상류의 천천 유역을 대상으로 HyGIS-TOPMODEL을 적용한 바 있다. 김경 탁과 최윤석(2006)은 SWAT 모형의 입력자료 생성을 위해 HyGIS를 이용해서 유역의 지형인자를 계산하였 으며, 한건연 등(2006)은 HEC-HMS와 HEC-RAS 모형 의 구동을 위해 HyGIS-HMS 및 HyGIS-RAS를 이용 하고 그 적용성을 평가하였다.
이와 같이 수자원 분야에서의 지형공간자료의 생성
및 모형의 매개변수 산정에 다양하게 활용되고 있는
ArcHydro, WMS 및 HyGIS는 지형분석을 위해 DEM
을 이용하고 있다. 그러나 각 프로그램에서 적용하고 있는 DEM의 보정기법 및 프로세스상의 특징에 따라서 계산된 지형인자가 상이한 결과를 나타낼 수 있다. 김 경탁 등(2004)은 경안천 유역에 대해서 ArcHydro와 HyGIS 및 WMS를 이용해서 유역의 수문학적 지형인 자를 산정할 때 HyGIS와 ArcHydro에 대해서는 Agree Burn 기법이 적용된 DEM을 이용하였으며, WMS에 대 해서는 Agree Burn 기법을 적용하지 않은 DEM을 이 용한 바 있다. 김경탁 등(2004)에서는 하천에 대한 지형 인자에서 HyGIS와 ArcHydro가 WMS에 비해서 유사 한 값을 나타내었으며, 유역 면적과 유역 평균고도에서 는 모든 프로그램에서 유사한 값이 계산됨을 제시함으 로써 Agree Burn 기법에 의한 WMS, ArcHydro 및 HyGIS의 지형인자 산정결과를 분석한 바 있다. 또한 김경탁과 최윤석(2005)은 ArcInfo와 HyGIS의 DEM 보 정기법의 차이점을 기술하고, 이에 따라서 추출되는 하 천망을 수치지도의 하천망과 비교하였으며, 하천의 형 태와 하천차수별 지형특성에서 HyGIS를 이용해서 추 출한 하천망이 수치지도와 더 유사한 값을 나타내고 있 다는 것을 기술하였다.
본 연구에서는 GIS를 이용한 지형정보 생성시 기존 에 국내에서 주로 활용되고 있는 WMS와 ArcGIS의 ArcHydro 및 HyGIS를 이용하여 DEM으로부터 지형인 자를 산정하고 각각의 프로그램으로부터 계산된 결과를 DEM 보정 기법과 함께 비교검토 함으로써 그 특징을 분석하고자 한다. 또한 이를 통해서 최근 국내에서 개 발되어 보급되고 있는 HyGIS로부터 계산된 수문학적 지형인자의 적용성을 평가하고자 한다.
2. DEM 전처리 방법
지표수 해석을 위한 수문학에서의 지형정보는 주로 유역과 하천의 지형적 특성을 의미하며, 유역에서의 지 표면 흐름과 하천 흐름을 해석하기 위한 물리적, 통계 적 혹은 경험적 방정식의 매개변수로 활용된다. 이와 같은 지형정보는 수치지형도의 등고자료와 원격탐사에 의한 지표면 고도자료 등으로부터 생성된 DEM (Digital Elevation Model)과 이를 이용해서 지형인자를 추출할 수 있는 GIS 도구를 활용할 경우 비교적 손쉽 게 획득할 수 있으며, 이때 원시 DEM은 흐름방향을 결 정할 수 없는 격자인 sink와 flat area와 같은 오류를 다수 포함할 수 있다. DEM을 이용해서 수문학적 지형 정보를 생성하기 위해서는 원시 DEM에 있는 sink와 flat area와 같은 오류를 보정하여야 하는데, 이러한 오 류보정 방법에 따라서 각각 다른 흐름정보가 생성되며,
이에 따라 수문학적 지형인자의 계산결과가 다르게 나 타나게 된다. 그러므로 DEM의 sink와 flat area의 보정 과정은 DEM을 이용한 지형정보 생성시 가장 핵심적인 과정이라고 할 수 있다.
2.1 ArcHydro의 DEM 보정
ArcHydro는 ArcGIS 환경에서 구동되는 extension 모듈로 ArcGIS Hydro 데이터 모델에서 필요로 하는 유역의 framework 공간데이터를 생성할 수 있으며, ArcGIS에서 제공하는 DEM 보정기능을 이용한 DEM 전처리 기능을 포함하고 있다. ArcGIS에서는 sink 처리 를 위해서 Jenson and Domingue (1988) 및 Martz and Jong (1988)에 의해 제안된 filling 알고리즘을 적용하고 있으며, flat area 처리에는 Jenson and Domingue (1988)에 의해 제안된 알고리즘을 이용하고 있다.
Filling 알고리즘은 sink로 유입되는 영역을 둘러싸고 있는 셀 중 가장 낮은 셀의 고도를 이용하여 sink 영역 을 채우는 방법이며, flat area 보정을 위한 Jenson and Domingue (1988) 알고리즘에서는 flat area를 둘러싸고 있는 DEM의 흐름방향을 참고하여 flat area 내부의 흐 름방향을 설정하고 있다. 이 방법은 모든 flat area에 대 하여 효과적으로 흐름방향을 부여할 수 있으나, 하천의 종류와 하류에 분포하고 있는 넓은 영역의 flat area에 대해서는 평행한 하천망이 추출되는 단점이 있다 (Tribe, 1992).
2.2 WMS의 DEM 보정
WMS에서는 DEM을 이용한 흐름정보 생성 및 지형 인자의 계산을 위해서 TOPAZ (TOpographical PArameriZation)를 이용하고 있다. TOPAZ에서는 DEM에 존재하는 sink를 제거하기 위해서 breaching 알고리즘이 적용된 filling 알고리즘을 이용하고 있다.
이 방법에서는 실제보다 고도가 낮게 부여된 것으로 평 가되는 sink(Fig. 1(a))에 대해서는 기존의 filling 방법 (Fig. 2(a))을 이용해서 sink 기여영역의 고도를 높여 주며, sink의 하류부가 실제보다 높은 고도가 부여됨으 로 인하여 발생되는 sink(Fig. 1(b))는 breaching 알고 리즘(Fig. 2(b))을 이용해서 하류부의 고도를 낮게 함으 로써 sink를 보정한다.
TOPAZ에서는 flat area의 보정을 위해서 combined
gradient method (Garbrecht and Martz, 1997)를 적용
하고 있다. Combined gradient 방법에서는 기존의
relief 방법(Fig. 3)과 동일한 “gradient towards lower
terrain” 과정을 이용해서 flat area로 판명된 영역을
둘러싸고 있는 외부 셀의 고도 중 flat area의 고도보다
Fig. 1. Schematic Profiles of Two Types of
Sink (Martz and Garbrecht, 1998) Fig. 2. Filling and breaching Algorithm
(b) (c) (d)
1st
(a) Initial flat area
2nd 3rd 4th 5th
(b) (c) (d)
1st
(a) Initial flat area
2nd 3rd 4th 5th
Fig. 3. Gradient Towards Lower Terrain Process (Martz and Garbrecht, 1998)
(b) (c) (d)
(a) (b) (c) (d)
(a)
Fig. 4. Gradient Away from Higher Terrain Process (Martz and Garbrecht, 1998)
(b) (c) (d)
(a) (b) (c) (d) (e)
(a) (e)