Issue
01
Issue
원격탐사를 이용한 북한 미계측 지역
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수문량 추정 기술
1. 머리말
본 고에서는 WHAP 연구단 2-2세세부 과제인
‘SRA를 이용한 북한 미계측 지역 수문 및 수자원 변
동 계측 기술 개발’의 진행 상황 및 향후계획을 소개 하고자 한다. SRA는 Satellite, Radar, Automatic Weather Station등의 원격탐사장비를 이용하여 수 문성분을 계측하는 기법을 통칭하는 용어이며, SRA 기술을 이용하면 사람이 지상에서 직접 계측을 할 수 없거나 정보를 획득할 수 없는 상황에서 원격탐 사를 통하여 수문정보를 추정할 수 있게 된다. 본 연 구팀에서는 고해상도 위성영상 분석 기술을 이용하 여 북한 접경지역 공유하천인 임진강 상류의 황강댐 의 수문정보를 획득하는 기술과 GRACE 중력위성 을 이용하여 북한 전역의 수자원 부존량 변화 및 유 출량을 파악하는 기술이 개발 중이며, 연구단과의 협업을 통해 통합 플랫폼의 주요 시스템항목 탑재를 목표로 추가연구가 진행되고 있다.
2. 원격탐사 영상을 이용한 하천 유량 추정 기술 개발 현황
북한 지역을 촬영하는 고해상도 위성영상으로부 터 접경지역의 수문정보를 파악하기 위한 기술을 개 발하고 검증하기 위해 한국건설기술연구원 하천실 험센터에서 현장 실험을 수행하였다. 하천실험센터 는 약 23.3만 m2의 면적과 최대 8 m3/s의 유량을 공 급할 수 있는 펌프시설을 확보하고 있으며, 길이 약 500 ~ 600m, 바닥폭 3m, 수면폭 11m, 높이 2m의 강 부 식
단국대학교 토목환경공학과 교수 [email protected]
이 상 일
동국대학교 건설환경공학과 교수 [email protected]
김 진 겸
단국대학교 토목환경공학과 박사수료 [email protected]
서 재 영
동국대학교 건설환경공학과 박사수료 [email protected]
실험수로 3개가 설치되어 있다. 원격탐사 영상을 이 용한 하천유량 추정 실험은 2016년 4월 21일과 7월 21일 두 차례에 걸쳐 수행되었으며, 급경사수로의 균일 단면 하에서 1차 실험을 수행하고 보에 의한 배수영향을 고려한 2차 실험을 수행하였다. 영상촬 영을 위한 장비는 DJI사의 Phantom3 Standard 드 론을 사용하였으며(그림 1), 4K 해상도의 사진촬영 과 2.7K 해상도의 영상촬영 기능을 가지고 있으며, 1회 충전 시 운용시간은 20분 내외이다. 또한, 동시
간대의 정확한 하천유량을 획득하기 위해 단면 측량 이 완료된 위치에 유량계측장비를 설치하였다. 1차 실험의 유량계측장비는 Sontek사의 SL-3000(그 림 2)으로서 음파의 Doppler 원리를 사용하여 10초
~1분 간격으로 수심 및 유량을 계측할 수 있는 장비 이며, 2차 실험에는 2차원 유속장을 측정할 수 있는 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 활 용하였다(그림 3).
그림 1. DJI Phantom 3 Standard
그림 3. ADCP를 이용한 현장유량계측
그림 2. Sontek SL-3000
하천에서 획득한 고해상도 영상의 하폭을 추출하 여 Manning식을 이용한 유량 추정기법을 적용하였 다. 이 때 유량분석의 편의를 위하여 하천단면을 분 석하고 하폭을 이용한 유량추정을 간편하게 할 수
있는 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램은 Visual C# 을 이용하여 작성되었으며 비균일 하천 단면을 입력자료로 수위-단면적, 수위-하폭관계를 추출하 고 하폭을 입력하면 Manning식을 이용하여 하천
유량을 추정할 수 있도록 구성하였다(그림 4). 1차 실험을 통해 하천의 흐름상태가 등류상태가 아닐 때 적용할 수 있는 보정계수의 필요성을 제시하였고 보
의 배수효과를 고려한 2차 실험을 통해 유량보정계 수를 산정하였다.
그림 4. 하천단면 분석 및 유량추정 S/W
그림 5. 유량보정계수 산정절차(예시)
실험하천에서의 연구결과를 바탕으로 방법론을 수립하고 실규모 하천의 적용하기 위해 위성영상자 료를 수집하였다. 실규모 하천에 적용한 위성은 유 럽 ESA(European Space Agency)의 Sentinel-2 위성으로서 18개의 다분광 영역대의 영상을 제공하 고 있다. 대상 하천은 남한강 하천이며 실제 유량
추정을 수행한 구간은 양평교~여주대교 구간이다.
위성영상에서의 하폭은 다분광 영상 중 NIR(Near Infrared) 영상과 GREEN 영상을 조합하여 수표 면 정보인 NDWI(Normalized Difference Water Index)를 추출하였다(그림 6).
그림 6. 남한강 지역의 Sentinel-2 영상과 NDWI
대상 구간인 양평교 ~ 여주대교 구간은 상하류에 댐과 보가 존재하여 기본적으로 배수영향을 받는 구 간이기 때문에 등류 가정을 할 수 없는 구간이 대부 분이다. 이러한 이유로 Manning식에서의 바닥경사 를 사용하기 어렵고 관측수위를 이용한 수면경사를 이용하여 유량을 산정하였다. 각 하천 단면에서 유 량을 산정하고 보정계수를 제시하기 위해 양평교~
이포대교 구간을 보정구간으로 설정하고 이포대교
~여주대교 구간을 검증구간으로 설정하였다. 유량 보정계수의 적정범위를 제시하기 위해 보정구간에 서 산정된 11개 단면에서의 유량 중 7개의 조합을 추 출하는 Delete-4 Jackknife Resampling 기법을 사용하여 330개의 표본을 추출하여 보정계수의 평 균값과 범위를 찾아내었다.
표 1. 유량보정계수의 검보정 결과
적용 구간 보정계수 구간평균 관측유량 구간평균 보정유량 상대오차(%)
양평교~이포대교
0.658±0.161* 83.0 88.9 7.1
이포대교~여주대교 92.5 92.7 -0.06
* 신뢰구간 95%
금년 4월부터 시작하는 2단계 연구에서는 하천의 배수효과 및 수면곡선을 모의하기 위해 부등류 수면 곡선 계산기법을 적용할 예정이다. 기존 부등류 해 석기법은 주어진 유량조건과 상하류 경계조건을 입 력자료로 대상 구간내의 단면에서 나타나는 수위와 유속을 구하는 것이 일반적인 절차이지만 위성영상 에서 얻을 수 있는 정보인 하폭을 수위로 환산하여
대상 구간 내 단면에서의 유속과 유량을 역으로 산 정하는 부등류 Inverse Analysis를 구현하고 적용 할 예정이다. 해당 분석 기법은 국내 하천을 대상으 로 기술검증을 마친 후 연구의 최종 목표 대상인 임 진강 상류에 위치한 북한의 황강댐 유입하천에 적용 할 예정이다.
그림 7. 북한 황강댐 지역의 Sentinel-2 영상
3. 북한 전역 수자원 부존량 모니터링 기술 개발 현황
GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment) 위성이 발사된 2002년부터 전 지구 적으로 수자원 부존량의 변화(Terrestrial water storage changes; TWSC)를 관측할 수 있게 되었 다. 특히, 북한과 같은 미계측 지역의 수자원 변화 량에 대한 정보를 얻게 됨으로써 수자원 부존량의 증감양상을 파악할 수 있으며 물수지 분석을 통해 다양한 수문정보(유출량, 지하수량 등)를 산정할 수 있다.
본 연구의 1단계에서는 GRACE 위성자료
를 활 용 하 여 북 한 전 역 의 수 자 원 아 노 말 리 (Terrestrial water storage anomaly, TWSA) 와 수자원 변화량(TWSC)을 산정하고 수자원 부 존량의 증감양상을 파악하였으며, 실측 강수량과 의 연계성을 평가하였다. 또한, 산정된 TWSC와 TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission) 위성과 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)센서를 활용하여 산정한 강수 량 및 증발산량 자료를 활용하여 물수지 분석을 수 행하였으며, 분석 결과 북한전역의 총 유출량을 산 정하고 검증하였다. 2단계에서는 1단계에서 개발한 기술의 안정화 및 실용화를 위한 연구를 수행할 예 정이다 (그림 8).
먼저, GRACE 위성자료를 활용하여 2003년부 터 2014년까지 북한 전역의 월별 수자원 아노말리 와 변화량을 산정하였다. 이를 위해 CSR(Center for Space Research)에서 처리되어 제공되고 있는 GRACE RL05 자료를 활용하였다. 북한 전역의 월 별 수자원 아노말리 및 수자원 변화량을 산정한 결 과 예시를 그림 9에 제시하였다. 이는 2013년 1월부 터 2014년 12월까지의 월별 수자원 아노말리 및 변 화량의 시공간적 분포와 시계열을 나타낸 것이다.
2014년의 수자원 아노말리가 감소하는 양상을 보였 다. 북한지역의 2014년 연강수량은 약 594 mm로 북 한의 평균 연강수량인 900 mm의 약 60%로 적은 강 수량을 보였다(기상청, 2017). 또한, 2013년과 2014 년에 북한의 가뭄에 관련한 다양한 언론보도를 통해 수자원 아노말리 결과에 대한 타당성을 입증하였다.
GRACE 위성으로부터 산정된 수자원 변화량 결과 또한 북한지역의 강수량의 증감양상 및 계절성이 유 사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다 (그림 10).
그림 8. 위성자료기반 수자원 변화량 모니터링 기술 개발 프로세스
그림 9. GRACE 위성자료 기반 북한지역 월별 TWSA와 TWSC (2013-2014)
GRACE 위성자료를 기반으로 산정된 수자원 변화량을 활용하여 물수지 분석을 수행하였다.
GRACE 자료와 더불어 물수지 분석을 위해 본 연구 에서는 TRMM 위성의 강수량 자료와 MODIS 센서
에서 생성된 증발산량 자료를 사용하였다. GRACE 와의 공간해상도 통합을 위해 각 자료를 upscaling 을 수행하였으며, 그림 11에 upscaling 수행 전과 후의 강수량 및 증발산량 결과를 나타내었다.
그림 10. GRACE-based TWSC와 27개 관측소 강수량자료 비교
그림 11. TRMM 월별 강수량 및 MODIS 월별 증발산량 결과 (2014년)
GRACE 자료기반 수자원 변화량, TRMM 위성 강수량 및 MODIS 센서 증발산량 자료를 활용하여 물수지 분석을 수행한 결과, 북한지역의 2003년부 터 2014년까지의 월별 총 유출량을 산정하였다. 북 한지역의 유출량 자료에 대한 정보가 제공되고 있 지 않기 때문에 지표면 모형(Land surface models;
LSM) 자료를 활용해 검증하였다. 지표면 모형자 료는 전 지구적 모형 결과 자료가 제공되는 전지
구동화 시스템(Global Land Data Assimilation System; GLDAS)를 통해 수집하였다. GLDAS는 총 네 개의 지표면 모형(CLM, Noah, Mosaic, VIC) 의 자료가 제공되고 있다. 다중위성자료를 활용하여 산정한 총 유출량과 지표면 모형 유출량 결과를 비 교한 결과 결정계수 (r2)가 0.53-0.84 범위로 상관 성이 높은 결과를 나타내었다 (그림 12).
그림 12. 다중위성자료를 활용한 총 유출량 및 지표면 모형 유출량 결과 비교
그림 13. 북한지역 수자원 변화량 모니터링 시스템 최종 성과물
본 연구과제의 2단계 연구기간(2017 ~ 2019)에 는 ‘북한 수자원 부존량 모니터링 시스템’ 개발을 최 종목표로 하고 있다(그림 13). 2단계에서는 GRACE 로부터 산정된 수자원 변화량을 활용하여 수행한 연 구결과를 토대로 위성자료 상세화 처리 등을 통해 결과의 신뢰성을 향상시키고, 북한지역의 수자원 변 화량 및 장기 유황변화 모니터링 자동화 시스템을 개발하여 자료정보를 제공할 예정이다. 본 연구를 통해 향후 통일에 대비한 북한지역의 기초 수문자료 의 정량화에 기여할 수 있을 것으로 기대되며 가뭄 및 홍수 등 수재해에 대한 부가적인 연구도 진행 될 수 있을 것이다.
4. 맺음말
원격탐사 자료를 활용하기 이전의 북한지역의 수 문 및 수자원 관련 연구는 수문정보가 극히 제한적 인 상황에서 WMO를 통해 제공되는 27개 관측소의 강우량 자료와 북한 측에서 공개하는 일부 자료를 이용하여 강수분석, 포장수력 분석, 수자원 부존량 파악 등의 연구가 진행되었다. 특히 접경지역의 홍 수관리는 남북 공유하천 운영 및 안전성 확보 측면 에서도 매우 중요하게 여겨지고 있으므로 임진강 상 류 황강댐의 홍수 유입상황과 운영상황을 파악할 수 있는 모니터링 기술을 개발하고 신속한 예경보 시스 템을 구축하여 남북 접경지역 공유하천의 운영 및 안전성 확보에 기여할 수 있으나, 자료의 한계로 인 해 공학적인 분석 자체가 매우 어려운 상황이다. 또 한, 북한지역의 기초자료 획득 자체가 어렵기 때문 에 수자원 부존량 현황에 대한 정보는 27개 지점의
극히 제한적인 지상 강우자료를 이용해 개략적으로 파악하는 수준이며, 사용되는 강우자료 또한 신뢰성 에 문제가 제기되고 있다.
본 고에서 소개하는 SRA 자료를 활용 북한지역 수문 및 수자원 변동 계측 기술이 완성된다면 수문 관측을 직접적으로 할 수 없는 북한지역의 다양한 수문정보를 획득하여 수문 및 수자원 변화 양상을 간접적으로 추정하고 이에 따라 북한지역의 수자원 평가 및 대응 전략을 수립할 수 있을 것이다. 추가적 으로 수재해에 취약한 북한지역의 홍수나 가뭄의 예 측·수재해 관련 계획 수립에도 활용되어 기초조사 에 필요한 제방비용을 절약할 수 있을 것으로 기대 된다.
향후, 남북간 통일을 위한 분위기가 조성되면 유 엔, 세계은행, 아시아개발은행 등 국제사회의 지원 이 따를 것으로 예상되며, 이러한 상황에서 SRA 정 보를 통한 선제적 자료 확보 기술은 북한 수자원 SOC사업의 주도적 진출을 가능케 할 것이다. 나아 가, SRA를 이용한 수문정보 파악기술은 동남아 및 저개발국에도 동일한 기법으로 적용될 수 있으며, 이를 통하여 해외수자원사업 진출에 있어 기초수문 자료를 확보하는 핵심기술로 활용될 수 있는 고부가 가치 기술로 거듭날 수 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(17AWMP-B079625-04)에 의해 수행되었습 니다.
