Water for Future
항공사진 정합을 이용한 시계열 표토침식 탐지
1. 서론 (1) 이슈
표토의 침식은 내성천과 섬진강 주변의 아름다 운 금빛 모래사장을 선물하기도 하지만, 대부분은 하천 유입에 따른 탁수 발생으로 하상증가, 부영 양화 등의 발생 원인이기도 하다. 표토는 지표에 서 약 30 cm 깊이까지의 토양층으로 식물의 생장 에 필요한 양분을 저장/공급할 뿐 아니라, 탄소를 저장하고 기후를 조절하며, 오염물질을 정화하는 등 환경적으로도 중요한 역할을 수행한다(김정수, 2013). 이와 같은 표토의 기능 가운데 농작물과 수 목의 생산성과 직접 관련 없는 환경적 기능은 정
책적 관심을 받지 못하고 있으며, 환경부는 최근 까지도 표토는 유류 성분을 포함한 유해물질에 오 염되면 정화해야 하는 대상이거나, 하천과 호소 에 유입되면 수질을 악화시키는 비점오염원이라는 개념으로 접근해 왔다고 언급하였다. 이로 인하여 우리나라의 표토는 무분별한 개발과 과도한 토지 이용, 점점 강력해지는 여름철 집중호우 등의 영 향으로 침식에 매우 취약한 상태이다.
우리나라 표토침식 현황은 환경부 ‘표토보전 종 합계획(’13~’17)’ 수립에 앞서 진행한 ‘전국 표토 침식량 예비조사(2012)’에서도 심각하게 드러나 고 있다. ‘전국 표토유실도(2012)’에 따르면 국토 의 30%에서 헥타르(ha) 당 연 평균 33톤을 초과 하는 표토가 유실되고 있으며, 이는 경제협력개발 기구(OECD)의 토양 침식등급 중 최고 등급인 ‘매 우 심함’ 등급에 해당한다(환경부, 2013). 이에 환 경부에서는 표토의 환경적 가치와 기능을 중시해,
‘오염토양의 정화’에 중심을 두었던 토양환경 정책 을 양적/질적인 토양관리를 뒷받침할 수 있는 ‘자 원으로서 토양의 적극적 보전’으로 전환하는 노력 을 기울이고 있다.
(2) 현황 및 문제점
‘표토보전 종합계획(’13~’17)’에 따르면 정확한 표토침식 현황을 파악하기 위하여 침식현황 실태 박 준 구 ●●●
인하대학교
사회인프라공학과 강의교수
이 기 하 ●●●
경북대학교 건설방재공학부 교수
Water for Future
조사를 실시하고, 이를 토대로 토양유실지도를 작 성해 정책수행의 근거로 사용할 예정이다. 이를 위하여 현재 외국에서 들여와 사용하고 있는 범 용토양유실공식(Universal Soil Loss Equation, USLE)의 주요 인자들을 우리나라의 기후, 지형 등에 맞게 보정하여 표토침식을 산정하는 ‘한국형 표토침식 조사모델 및 가치평가 방법’을 개발해 적 용함을 원칙으로 하고 있다(환경부, 2012; 주대 영, 2013).
Wischmeier and Smith(1965)에 의해 제안된 범용토양유실공식은 연간 단위면적에서 일어나는 평균 토양유실을 예측하는 대표적인 공식으로, 전 문 지식 없이도 활용 가능하다는 장점과 사용의 편리함으로 인하여 가장 많이 활용되고 있다. 그 러나 범용토양유실공식은 여러 한계를 가지고 있 다. 첫 번째, 공식 개발 당시 강우에 의한 토립자 의 이탈 및 운송에 의한 개념을 기초로 하여 강우 에 의한 침식성 산정인자(R)에 보다 많은 연구가 집중되었다(류순호, 2000). 두 번째, 경사가 완만 하고 경사길이가 짧은 경우에는 강우에 의한 토립 자의 이탈과정이 주요한 침식기작이 될 수 있지 만, 실제 유역에서는 이와 같은 환경만이 존재하 지는 않는다(건설기술연구원, 2002). 세 번째, 면 상침식(강우의 강도가 약한 조건하에서 토양의 표 면이 얇게 토지전면에 걸쳐 침식)과 세류침식(작 은 물줄기의 흐름 때문에 좁은 면적 범위에서 얕 게 생기는 토양의 이동)의 예측만 가능하고, 협곡 침식이나 퇴사량 예측은 불가능하다(엄기태 외, 1992; 류순호, 2000). 네 번째, 특정 강우나 특정 연도의 토양 유실량을 예측하는 경우에는 오차가 크기 때문에 다년간에 걸친 포장시험을 통해 연간 평균 토양유실량을 예측할 수 있는 자료의 축적이 요구된다(류순호, 2000). 이밖에도 강우인자 이외 에 토양침식성인자, 토지피복인자 및 경사인자 등 은 상당기간 갱신되지 않은 구(舊) 자료 등을 활용 함에 따라 자료의 최신성 및 공간해상도의 영향을 많이 받는다는 문제점 등을 가지고 있다.
우리나라의 표토침식은 우식이나 풍식 등 자연 적인 원인 이외에도 경작지 개간, 농공단지 개발 등으로 인한 인위적인 원인에 의해 더 많이 발생 하고 있으며, 이에 신뢰성 높은 표토침식 현황 파 악을 위해서는 실측 중심으로의 전환이 필요하다.
또한 자원으로서 토양의 적극적 보전을 위해서는 주기적 모니터링을 통한 취약성 평가 등이 이루어 져야 한다. 그러나 현장조사를 통한 표토침식 현 황 파악은 협소지역에서만 관측이 가능하고, 주기 적 관측이 어렵기 때문에 유역 전체 또는 전 국토 를 대상으로 하기에는 공간적인 제약, 자료획득 및 가용 예산의 확보 등이 매우 어렵다고 할 수 있 다. 이에 공간적 범위, 높은 공간해상도(25 cm 이 내) 및 높은 정확도(수 cm 이내)를 모두 만족시키 는 항공사진측량 기법의 활용은 신뢰성 높은 표토 침식 현황 파악을 가능하게 한다.
2. 항공사진측량을 이용한 표토침식 탐지
항공사진측량 기법을 이용하여 표토의 침식 을 탐지하는 연구는 1980년대부터 진행되어 왔 다. Welch et al.(1984)은 수 cm 이내의 정확도 로 3차원 공간좌표 획득이 가능한 항공사진측량 의 특성을 이용, 등고선 지도를 제작하여 표토의 침식을 탐지하였으며, Betts and DeRose(1999), Martinez-Casanovas(2003), Martinez- Casanovas et al.(2004)은 협곡침식 추정 연구 를 수행하였다. 또한 Sebastian et al.(2012)은 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)와 다수의 지상 기준점을 이용하여 남 모로코 지역에서 표토의 침 식을 탐지하는 연구를 진행하였다. 이와 같은 선 행 연구들을 통해 항공사진측량 기법을 이용한 표 토침식 탐지의 가능성은 검증되었다고 할 수 있 다. 그러나 주기적인 촬영, 수목 및 건물 등을 제 외한 지형정보만을 추출하는 것이 너무 복잡하고 어렵기 때문에 실제 시계열 표토침식 탐지에 관한
Water for Future
연구는 전무한 상태이다.
그러나 F. Leberl et al.(2010)은 디지털카메 라 기술의 발전으로 영상의 품질 및 방사해상도 가 획기적으로 개선됨에 따라 기존 수동에 의존 하던 작업과정 일체의 자동화, GPU(Graphics Processing Unit)와 같은 컴퓨터 기술의 발전에 따라 매우 복잡한 영상정합 알고리즘의 처리속도 개선 및 영상정합에 이용되는 컴퓨터비전 알고리 즘의 발전에 따라 두 장 이상의 영상을 이용하는 다중 영상정합 기술 등 영상정합 관련 알고리즘의 개선 등을 이유로 항공사진측량을 이용한 3차원 지형정보 제작 과정이 획기적으로 자동화되고, 매
우 조밀한 간격으로 빠른 시간에 서브픽셀 정확도 를 획득할 수 있게 되었다고 언급하는 등 최근 그 효용성이 다시 주목받고 있다.
영상정합은 <그림 1>과 같이 대상지역이 중복 촬영된 둘 또는 다중영상에서 사진촬영 당시의 항 공기와 카메라의 기하로부터 화소 단위에서 유사 성 관측을 통해 항공사진의 한 점이 인접사진의 어디에 위치하는가를 탐색하고, 자동으로 3차원 정보를 추출하는 기법으로, Brunelli(2009)는 ‘영 상정합은 2차원 영상으로부터 자동으로 3차원 정 보를 획득하는 가장 유용하고, 정확한 방법’이라고 언급하기도 하였다.
그림 1. 영상정합 개념
영상정합은 영상 내 정합 가능한 모든 화소에서 정합이 이루어지며, 항공레이저측량 자료와 같이 3차원 점 군(point cloud) 형태로 추출된다. 이때 정합 결과는 실세계(real world)의 모든 지형지물 이 포함되어 있으며, 이에 순수한 지형만을 추출 하기 위해서는 지면/비지면을 분류할 수 있는 필 터링이 수반되어야 한다. 지면/비지면 필터링 기 술은 항공레이저측량에서 가장 활발하게 연구되고 있는 분야로써, 다양한 필터링 기법 적용이 가능 하며, 수목 등으로 전혀 지면이 보이지 않을 경우
에도 다양한 공간정보 자료 융합(항공레이저측량, 수치지도 등)을 통해 <그림 2>와 같이 수목, 건물 등이 제거된 정확도 높은 3차원 지형의 추출이 가 능하다.
느리고 미세하게 변화하는 표토침식을 탐지하기 위해서는 광역에서 주기적으로 모니터링을 수행하 여야 한다. 그러나 표토침식만을 탐지하기 위하여 항공사진측량을 실시하는 것은 경제성이 매우 낮 다고 할 수 있다. 국토지리정보원은 국가 측량기 본계획(2011~2015)에 따라 국가기본도의 주기수
Water for Future
정을 위하여 전 국토를 2개 권역으로 구분하고, 2 년 단위로 항공사진 촬영을 실시하고 있다. 이에 전국을 대상으로 주기성의 확보가 가능하며, 국토 지리정보원 고시 제2015-3013호에 따라 공간정 보 이용 활성화 등을 위하여 항공사진 등의 공간 정보를 무상으로 제공함으로써 자료취득의 고비
용 문제가 해결됨에 따라 항공사진측량을 이용한 표토침식 모니터링을 위한 장애물이 완전히 사라 졌다고 할 수 있다. <그림 3>은 항공사진측량/항 공레이저측량 자료를 이용한 고정밀 지형 추출 및 시계열 표토침식 탐지를 위한 방법론이다.
그림 2. 영상정합을 통해 추출한 3차원 지형
그림 3. 항공사진측량/항공레이저측량을 이용한 시계열 표토침식 탐지 방법론
Water for Future
3. 내성천 유역의 시계열 표토침식 탐지
내성천은 우리나라에서도 손꼽히는 모래하천으 로 표토의 유실이 심각해 유사조절지를 건설하고 있는 곳이다. 내성천 유역의 시계열 표토침식 탐 지를 위하여 2010년(650매), 2011년(631매), 2013
년(1,042매) 및 2015년(771매)에 촬영된 국토지리 정보원 항공사진(공간해상도 25 cm)의 다중 영상 정합과 시계열 수치표고자료 간 편향(bias) 제거 를 위한 상호등록을 통해 산출한 화소별 표토변화 (2011년~2013년)는 <그림 4>와 같으며, 평균 침 식량(공간해상도 1 m)은 <표 1>과 같다.
그림 4. 내성천 유역 표토변화도(2011~2013년) 표 1. 내성천 유역 시계열 표토침식량(공간해상도 1 m)
시계열 평균 침식량 (ton/ha/year) 평균 침식량 (ton/ha/year)
2010년~2011년 3.33
2.70
2011년~2013년 2.77
2013년~2015년 2.32
Water for Future
범용토양유실공식과의 비교를 위해, 항공사진 정합을 통해 제작한 수치표고자료를 범용토양유실 공식의 경사인자로 활용하여 예측한 평균 표토침 식량은 연 15.80 (ton/ha)로 나타났다. 이는 항공 사진 정합을 통해 산출한 침식량 연 2.70 (ton/ha) 보다 약 5.9배 정도 많은 수치로써 범용토양유실공 식으로 예측한 표토침식은 실제보다 매우 과다 산 정되는 것이 확인되었다. 실제 강우 또는 토지이용 등으로 경사를 따라 침식된 표토의 대부분은 <그 림 5-(a)>와 같이 완만한 경사 또는 경사 하단으로
이동하여 퇴적된다. 그러나 범용토양유실공식으로 예측한 표토침식의 경우, <그림 5-(b)>와 같이 격 자 내에서 침식이 발생하지만, 침식된 표토가 이동 하는 경로 또는 그 양을 산출할 수 없다는 문제점 을 가지고 있다. 이에 항공사진 정합으로 산출한 표토침식량은 하천 또는 유역 외로 유실된 표토의 양을 기준으로 하고 있는 반면, 범용토양유실공식 으로 산출한 표토침식량은 격자 내에서 침식된 표 토는 모두 유실로 산출하기 때문에 이와 같은 차이 가 발생하는 것으로 나타났다.
그림 5. 항공사진 정합과 범용토양유실공식으로 산출한 표토변화 (a) 항공사진 정합으로 산출한 표토변화
[침식: 검은색 계열, 퇴적: 붉은색 계열]
(b) 범용토양유실공식으로 산출한 표토변화 [검은색: 변화 없음]
4. 결론
범용토양유실공식은 경험식을 바탕으로 한 예측 모델로써 사용인자의 공간해상도 및 정확도 등에 따라 매우 많은 영향을 받는다. 대부분의 연구자 들은 공식에 적용되는 모든 인자를 제작할 수 없 기 때문에 강우인자를 제외하고는 기 구축되어 제 공되는 자료를 사용하게 된다. 이에 인자 제작에 사용된 원시자료의 최신성, 정확도, 공간/분광해 상도 등을 파악할 수 없기 때문에 신뢰도에 대한 불확실성을 내포하고 있다. 또한 표토침식량 산출 에 있어 격자 내에서 침식된 표토는 모두 유실로
산출하기 때문에 침식된 표토의 이동과 퇴적 등의 관측이 불가능하며, 이에 표토가 실제보다 과다 유실된다는 결론을 도출하게 된다.
항공사진 정합을 이용한 표토침식 탐지는 전 국 토를 대상으로 일관된 주기, 고정밀 및 고해상도 모두 만족시킬 뿐 아니라 침식/퇴적되는 표토의 양을 정량적으로 측정할 수 있다. 또한 우식 이외 에도 풍식, 경작으로 인한 인위적인 표토침식으로 범용토양유실공식의 적용이 어려운 고령지 배추 밭과 같은 우리나라만이 가지고 있는 특수한 환경 에도 적용 가능하기 때문에 한국형 표토침식 현황 파악에 기여할 수 있다.
Water for Future
5. 감사의 글
본 연구는 환경부의 토양·지하수 오염방지 기술개발사업(과제번호: GAIA-2014000540005)에서 지 원받았습니다.
참고문헌
김정수 (2013.01) ‘표토유실’ 몸살 앓는 국토. 한겨레 신문.
류순호 (2000) 토양사전. 서울대학교 출판부.
주대영 (2013.03) 흔한 ‘흙’ 이제는 소중한 자원으로 집중 관리!. 나라경제.
한국건설기술연구원 (2002.10) 국가GIS사업의 수자원분야 활용지원 고도화 방안 연구.
한기학, 박창규, 김복영, 김재정, 신제성, 엄기태, 이규승, 이영환, 정영상, 허종수, (1996) 농업환경화학. 동화기술.
환경부 (2012) 표토의 침식 현황 조사에 관한 고시. 환경부 고시 제2012-124호.
환경부 (2013.01) 표토보전종합계획(’13~’17).
Brunelli. R. (2009) Temlate Matching Techniques in Computer Vision : Theory and Practice. Wiley. pp.1-3, 43-72, 263-280
d'Oleire-Oltmanns, Sebastian, et al.. (2012) Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for monitoring soil erosion in Morocco. Remote Sensing 4.11. pp.3390-3416.
F. Leberl, A. Irschara, T. Pock, P. Meixner, M. Gruber, S. Scholz, and A.
Wiechert. (2010) Point Clouds: Lidar versus 3D Vision. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. Vol. 76, No. 10. pp.1123-1134.
H.D. Betts, R.C. DeRose. (1999) Digital elevation models as a tool for monitoring and measuring gully erosion. Int. J. App. Earth Obs. and Geoinf.. 1, pp.91-101.
J.A. Martinez-Casanovas. (2003) A spatial information technology approach for the mapping and quantification of gully erosion. Catena, 50. pp.293-308.
J.A. Martinez-Casanovas, M.C. Ramos, J. Poesen. (2004) Assessment in sidewall erosion in large gullies using multi-temporal DEMs and logistic regression analysis. Geomorphology, 58. pp.305-321.
Welch, R., T. R. Jordan, and A. W. Thomas. (1984) A photogrammetric technique for measuring soil erosion. Journal of Soil and Water Conservation 39.3. pp.191- 194.
Wischmeier, W. H., and D. D. Smith. (1965) Rainfall erosion losses from cropland east of the rocky mountains. Guide for selection of practices for soil and water conservation. Agriculture Handbook 282.
