항공영상을 이용한 산지토사재해 발생특성 및 영향인자 분석
정 용 호
국립산림과학원 임지보전과 [email protected]
1. 연구배경 및 목적
최근 우리나라는 산지토사재해가 급증하는 추세에 있다. 특히 올해도 태풍 ‘에위 니아’와 강원지역 집중호우로 막대한 재산 및 인명피해가 발생하였다. 최근의 대표 적인 토사재해로는 2002년 태풍 ’루사’의 내습시 있었는데 당시 2,705ha에 발생한 산사태는 대부분 토석류로 발달하며 큰 피해를 주었다. 그 익년 2003년 태풍 ’매미’
1,330ha, 2004년 태풍 ‘디엔무’, ‘메기’로 233ha의 산사태가 발생하였다. ’76년 이후 연평균 인명피해는 40명이나 되며 복구비용은 매년 증가하고 있는데 금년은 3,500 억원이 넘는다.
산지토사재해로 인해 많은 인명과 재산이 손실됨에 따라 재난 극복을 위해 재해 원인 구명 및 대책에 관한 연구가 수행되고 있으나, 원활한 연구수행에는 여러 가 지 걸림돌이 많다. 그 일례가 정확한 현지조사의 어려움이다. 산림재해는 재해 직후 신속한 조사가 이루어져야만 재해의 실상을 면밀히 파악하여 대처할 수 있다. 하지 만 대면적이고 접근이 힘든 현장을 일일이 조사하기는 현실적으로 어려움이 많다.
특히 발생지, 유하지, 퇴적지로 구분되는 토석류 재해의 경우 각 구역별 발생원인, 유동 및 퇴적특성의 정확한 조사는 불가능하고 할 수 있다.
산지토사재해에 대해 피해양상을 정확하게 조사하기 위한 방법은 재해발생 직후 에 항공사진을 촬영하고 그 영상을 활용하는 것이 가장 확실한 방법이다. 최근 항 공기를 이용한 사진촬영은 디지털 카메라를 사용함으로써 촬영과 정사보정이 거의 동시에 이루어지는 데까지 발달하였다. 현상, 인화 등의 과정이 필요 없기 때문에 짧은 시간 내에 정확히 산사태 발생위치 및 규모를 파악할 수 있고 수치화 등의
DB도 가능하다. 또한 항공촬영사진 분석시스템을 이용하여 단시간에 재해발생 원 인, 피해상황을 다각도로 분석할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 2005 8. 2. ～ 8. 3.에 있었던 전북지역의 집중호우로 산지 토사재해가 집중적으로 발생한 무주, 진안, 장수 지역에 대해 항공촬영을 실시하여 피해상황과 재해영향인자를 분석하였다. 특히 국립산림과학원에서 제작한 산사태 위험지도 검증과 산사태 지역의 특성파악, 산사태 인자별 특징, 토석류 구역별 발 생, 유하, 퇴적특성 등에 대한 분석을 실시하였다.
2. 연구방법
2.1. 항공영상촬영 및 정사영상 제작
2005년 8월 19일 전라북도 익산 산림항공관리소에서 산림청 카모프 (KAMOV) 헬기 (탑재체)에 소형 다중분광 항공촬영시스템인 PKNU3호를 탑재하여 피해지역의 항공 사진을 촬영하였다. 헬기에 GPS수신기를 탑재하여 촬영당시 헬기의 위치정보도 동시 에 측량하였다.
대상지역에서 획득한 2,450장의 영상 가운데 산사태 발생지라고 판단되는 총 618장 의 영상을 선별하였고 다시 이 영상들 중 산지토사재해 발생원을 포함하고 촬영위치 좌표값이 있는 153장의 영상을 선별하였다. 선별된 항공영상 자료의 절대적 위치와 차이를 발생시키는 왜곡을 보정하기 위하여 정사투영하고 모자이크 영상을 획득하였 다. GPS 측량에 의해 획득된 촬영시의 좌표를 바탕으로 영상촬영지역의 1:5,000 수치 지도를 Arcview GIS 3.3 프로그램을 이용하여 수치표고모델(DEM)을 생성하였다. 그 리고 지상기준점 추출을 위하여 이전에 정사투영된 1:25,000 항공사진을 이용하였다.
이들 수치표고모델과 정사영상을 바탕으로 ERDAS 8.6 프로그램으로 정사보정하여 한 장의 영상으로 만들기 위하여 모자이크하였다(그림 1).
2.2. 산지토사재해구역 추출
항공영상을 이용한 산지토사재해지역 추출을 위해 발생원, 유하지, 퇴적지로 구분하 였다. 각 구역별로 구분한 영상은 그림 1과 같으며, 우측 그림에서 푸른색이 발생원, 녹색이 유하지, 노란색이 퇴적지이다.
그림 1. 3차원 모자이크 영상 및 구역별 디지타이징
재해구역별 Digitizing 작업으로 각 구역별 특성을 파악할 수 있는 기초자료를 생성 하였고 기존의 항공사진과 수치지도에 정확한 위치를 표시할 수 있으며 대상지역에서 발생한 재해분포 지역과 규모를 파악할 수 있다. 또한 보다 정확한 현지상황 파악을 위해 기존항공사진과 이번 촬영항공사진의 3차원 영상을 비교하여 분석에 활용하였 다(그림 2).
<2000년 항공사진> <2005년 항공사진>
그림 2. 각 구역별 토사재해 발생전(좌) 후(우)의 3차원 영상
2.3. 산사태 위험지도 검증 및 산림상태별 피해상황 조사
촬영한 항공사진은 분석 시스템을 이용하여 토사재해구역별(발생원, 유하지, 퇴적 지)로 구분하고 산사태 위험지도의 검증을 실시하였으며, 산림상태별 토사재해면적 등을 조사하였다.
2.3.1. 산사태 위험지도 검증
항공사진에서 추출한 발생원과 산사태발생 위험지도를 비교하기 위해 항공영상에 서 추출된 발생원과 산사태발생 위험지도를 중첩하여 발생원을 중심으로 주위의 9 개 셀중 최대 위험등급을 선택하는 방법으로 발생원의 산사태 위험등급을 결정 비 교하였다. 총 260개소의 발생원 중 산지가 아닌 20개소를 제외하고 총 240개소의 위험등급을 결정하였으나, 임도의 경우 인위적 훼손지이므로 분석에서 제외하여 총 233개소를 대상으로 분석하였다.
2.3.1. 산림상태별 피해상황 조사
항공영상을 판독하여 재해발생지역의 산림상태를 파악하고 앞서 언급한 재해구역 별 영상분석자료를 활용하여 산림상태별 피해상황을 조사하였다. 발생원의 정확한 위치와 특성을 파악하기 위하여 좌표를 획득하고 발생원 주변의 식생에 따른 토사 재해의 영향을 분석하기 위해 발생원 주변의 영상을 판독하여 성림지 (171개소), 유 령림지 (75개소), 벌채지 (7개소), 임도 (7개소)로 분류하여 구역, 식생에 따른 면적 을 측량하였다.
2.4. GIS기법을 활용한 재해영향인자 분석
산사태 판정표의 7가지 인자 중 항공영상을 바탕으로 하여 GIS기법을 활용 분석 할 수 있는 산지토사재해 구역별 고도, 경사도, 사면형태, 사면방향 등의 지형학적 인자와 하천길이 (Flow lengths), 유역면적 (Flow accumulation), Horton 차수 등의 수문학적 인자, 구역별 발생형상계수, 유역형상계수 등에 대한 분석을 실시하였다.
분석에는 발생원 210개소, 유하지 148개소, 퇴적지 55개소를 대상으로 하였고, Arcview 3.3프로그램을 이용하였으며, 기술통계는 SPSS 1.3 통계프로그램을 이용하 여 해석하였다. 산지토사재해 구역별 인자들의 특성분석에는 지형, 수문인자를 중점 적으로 분석하여 토석류 위험계류의 특성을 파악하였다.
3. 연구결과
3.1. 산지토사재해 구역별 피해상황 및 위험지도 검증
조사대상지역내 피해면적은 총 513,985m2로 그 중 퇴적지가 343,831m2, 유하지가 139,021m2, 발생원이 31,134m2로 나타났다. 구역별 개소당 피해평균 면적을 보면 퇴 적지(4,076m2) > 유하지(759m2) > 발생원(126m2) 순이며 이는 개소수가 발생원 > 유 하지 > 퇴적지 순이므로 작은 붕괴가 발생하여 유하지를 거쳐 피해를 증가시키고
퇴적지에서 가장 많은 피해를 끼치고 있는 것을 잘 설명해 주고 있다.
산사태위험지도와 항공사진의 분석을 비교해본 결과 총 233개소를 등급별로 구분 하면 1등급지는 58개소 (24.9%), 2등급지 147개소 (63.1%), 3등급지 28개소 (12.0%), 4등급지는 0개소 (0%)로 나타났다. 즉 산사태 발생 가능성이 높은 지역 (1, 2등급)을 분석하면 조사대상지 전체의 88.0% (233 중 205개소)로 나타났으며, 성림지와 유령 림지 (벌채지 포함)를 비교하면 성림지에서 89.8% (157 중 141개소), 유령림지 (벌채 지 포함)에서 84.2% (76 중 64개소)로 나타나, 산사태 발생 위험지도는 성림지에서 높은 적중률을 보이고 있는 것으로 판단되었다. 대상지역의 산사태 발생가능성이 높은 지역이 63.6%로 많이 분포하고 있어 그 정확도에 문제가 될 수 있으므로 산사 태 위험지도의 정확도는 표 1과 같이 누가등급별 위험지 면적비율에 대한 산사태 발생비율로도 평가하였다.
표 1. 위험등급별 정확도 분석
누가등급 구분 1등급 1∼2등급 1∼3등급 1∼4등급
산사태 발생비율 /위험지 면적비율
24.2 / 6
= 4.0
87.5 / 63.6
= 1.4
100 / 98.9
= 1.0
100/100
= 1.0
평 가
ㆍ값이 클수록 예 측 정확
ㆍ산사태 발생지 중 24.2%가 1등급지 에서 발생하여 정확도 높음
ㆍ값이 클수록 예측 정확 ㆍ값이 1 이하의
경우 예측 무 의미
ㆍ값이 1이면 예측 정확도 높음
ㆍ값이 1이면 예측 정확도 높음
즉, 본 분석에서는 정확도가 88%의 높은 수치를 보이고 있으나, 1, 2등급지가 많아 그 정확도에 문제가 있을 수 있으므로 향후 산사태 판정표의 수정보완을 통해 그림 3에서 보는 바와 같이 1, 2등급의 분포비율을 줄여 그 정확도를 높여야 할 것이다.
현재 미래
현재 : 1,2등급(57.2%)내 88% 적중 ⇒ 미래 : 1,2등급(30.0%)내 90% 적중 그림 3. 향후 산사태 위험지도 정확도 보완 방안.
3.2. 재해영향인자 분석결과
발생원에서의 고도가 550 ～ 570m부근에서 peak를 보이고 감소하는 분포를 보이고 있어 붕괴발생에 민감한 것으로 판단되어 재해와 관련성이 깊은 인자로 볼 수 있다.
경사도는 발생원의 경우 평균 27.09°에서 발생하였고 유하지는 평균 경사도 24.45°이 며 퇴적지는 13.73°이다. 사면방향은 북서방향에서 발생빈도가 높다고 할 수 있다. 하 천길이는 발생원에서는 15 ∼ 30m사이, 유하지는 100m이하에서 가장 높은 빈도를 나 타내었다. 퇴적지는 하천길이 1km이하에 대부분이 분포하였다. 유역면적은 발생원은 평균의 95% 신뢰구간에서 155.8 ～ 525.3m2 범위로 나타났고 평균 341.5m2에서 발생 하였다. 유하지는 6,607.1 ～ 20,846.0m2 범위에서 평균 13,726.6m2에서 유하되어 34,686.8 ～ 636,447.5m2 범위에서 평균 335,567.1m2에서 퇴적되었다.
Horton 차수는 유하규역, 퇴적구역의 차수를 분석한 결과 유하지역은 1～5차수 (평 균 1.40차수), 퇴적지역은 1～7차수 (평균3.38차수)로 분석되었다. 구역별 발생형상계 수는 재해가 발생한 구역의 모양을 대변하는 계수이다. 즉 재해발생 후 발생원, 유하 지, 퇴적지에서 어떤 형태로 피해가 발생하였는지를 파악할 수 있는 인자라 할 수 있 다. 이 값이 높으면 역삼각형 모양의 형태를 취하게 되고, 낮으면 반대로 삼각형의 모 양을 취하게 된다. 분석결과 발생원, 유하지에서는 약간 삼각형 모양을 보이고 있으며 퇴적지에서는 원형에 가까운 형태를 취하는 것을 알 수 있다. 유역형상계수의 분석결 과 발생원에서는 가늘고 긴 모양의 형태를 취하고 있으며, 유하지에서는 원형에 가깝 고, 퇴적지에서는 하천길이가 짧고 옆으로 퍼진 형태의 모양을 취하고 있는 것으로 나 타났다. 이는 유하지, 퇴적지는 여러 개소에서 붕괴된 토사가 합쳐져 내려온 것이 그 이유로 사료된다. 따라서 이러한 형상계수를 토대로 각 구역별 발생 및 유역형상을 개 념화 하면 그림 4와 같이 나타낼 수 있다.
그림 4. 각 구역별 발생 및 유역형상 개념도.
3.3. 토석류 표준모식도 및 위험계류 판단기준
상기 분석결과 각 인자들은 토사재해에 깊게 영향하고 있어 추후에 산사태와의 상 관관계를 보다 깊게 검토할 필요가 있는 것을 알 수 있었으며, 특히 이중에서 유역면 적, Horton 차수, 구역별 발생 및 유역형상계수 등은 토사재해의 발생형태를 파악하 는데 중요한 인자로 판단되었다. 따라서 형상계수를 제외한 수치로 표현할 수 있는 고 도, 경사도, 하천길이, 유역면적, Horton차수 등 5개인자의 평균값을 이용하여 토석류 표준모식도를 그림 5와 같이 작성하였다. 또한 이번 조사․분석에서 나타난 이들 5개 인자의 상한, 하한치를 기준으로 토석류 위험계류 기준을 그림 6과 같이 제시하였다.
물론 본 결과는 무주, 진안, 장수 지역의 토석류를 분석한 결과이므로 전국을 대상으 로 확대해석은 불가능하다. 하지만, 향후 본 조사 및 분석방법을 활용하여 자료를 축 적하면 보다 정도 높은 모식도와 위험계류기준을 작성 가능할 것으로 사료된다.
그림 5. 토석류 표준모식도
그림 6. 토석류 위험계류 기준
4. 결론
항공기에 의한 산사태 발생지역 촬영 및 GIS기법을 활용한 토사재해특성 분석시스 템은 신속․정확하게 재해관련 자료의 구축과 분석이 가능하여 재해발생시 전반적인 실태파악에 충분히 활용 가능한 것으로 판단되었다. 또한 GIS 기법을 활용하여 조사 지역의 산사태 특성을 분석한 결과 산지토사재해는 발생원, 유하지, 퇴적지로 갈수록 고도, 경사가 낮아지며 하천길이, 유역면적, Horton 차수가 커지는 경향을 보여 본 기 법으로 지형학적 해석이 가능한 것으로 판단되었으며, 상기 인자들은 산지토사재해 예측에 충분히 활용 가능한 것으로 판단되었다.
상기 분석결과 각 인자들은 토사재해에 깊게 영향하고 있어 추후에 재해와의 상관 관계를 보다 깊게 검토할 필요가 있으며, 특히 이중에서 유역면적, Horton 차수, 구역 별 발생 및 유역형상계수 등은 토사재해의 발생형태를 파악하는데 중요한 인자로 판 단되었다. 따라서 형상계수를 제외한 수치로 표현할 수 있는 고도, 경사도, 하천길이, 유역면적, Horton차수 등 5개 인자를 이용하여 토석류 표준모식도 및 위험계류 기준 을 제시하였으나, 이번 조사는 전북지역에 한정된 결과이므로 추후에 보완이 필요하 다.
산사태 위험지도의 정도는 88%로 높게 나타났으나, 위험지도의 2등급 분포비율이
높으므로 지속적인 항공사진 판독조사결과를 활용, 많은 자료를 축적하여 산사태 영 향인자들의 상관 및 수량화 분석이 필요하며, 이를 통한 정도 높은 산사태 판정표 작 성이 요구된다.
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